National Physics № 2 (Август, 2013) by Natonal Science

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

National Science

От редакторов журнала Дорогие друзья, у вас перед глазами второй номер журнала National Physics. С выпуска первого номера журнала не прошло и полгода, а число наших подписчиков ВК выросло вдвое. Мы обзавелись новым логотипом сайта, запустили ещё пару проектов, но сохранили в себе любовь к этому непростому делу. А ещё 24 мая нам исполнился год! Второй номер журнала стал толще, а значит в нём ещё больше интересного из мира физики. Спасибо, что Вы с нами, мы продолжаем работу по популяризации физики и других наук. Помогите нам стать лучше, мы ждём ваших отзывов и замечаний А теперь – перевернём страницу и узнаем всё самое интересное из мира физики. Будем надеяться, Вам понравится. Команда National Physics

Наш сайт: nationalscience.ru ВК: vk.com/national_physics е-mail:

nationalscience.ru@gmail.com Благодарим:

National Physics №2

Cодержание

Сила Кориолиса

стр. 20

стр. 10

Вечный двигатель

Интересные факты из жизни ученых

стр. 22

стр. 26

Ричард Фейнман

National Physics №2

Cодержание

Кто придумал лампочку?

стр. 44

стр. 36

Молекулярная кухня

Теория струн

стр. 64

стр. 50 Космический корабль

«Буран»

National Physics №2

Cодержание Оптические иллюзии

Статья от читателя

стр. 86

стр. 80 Критический взгляд на

аттрактор Лоренца

Фотографии с МКС

Земли стр. 108

стр. 94 Технологии

статьи от «Науки и Техники»

Сила Кориолиса National Physics

National Physics №2

Эта сила создаёт торнадо, изнашивает рельсы и подмывает берега рек! А всему виной вращение Земли... 11

National Physics №2

Знаете ли вы? Какую кривую вычерчивает на плоскости маятник Фуко? Как ведут себя предметы, движущиеся по вращающейся платформе? Почему при прыжке фигуристы прижимают руки к груди, а не к бокам? Ответы на эти вопросы даёт теорема Кориолиса...

Неинерциальные системы отсчета Одно и то же движение выглядит по-разному, если его наблюдать из разных систем отсчета. Посмотрим, например, на движение заряда, который был выпущен из пушки, стоящей на северном полюсе. Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, то траектория снаряда лежала бы в плоскости меридиана. Такую картину видели бы наблюдатель, стоящей на Земле. Однако Земля вращается! С точки зрения неподвижного наблюдателя (находящегося вне Земли) Земля вращается против часовой стрелки (если смотреть сверху на ее северный полюс), поэтому плоскость фиксированного меридиана поворачивается вместе с Землей с запада на восток, а плоскость движения снаряда в пространстве остается неизменной. Наблюдатель, находящийся на Земле (подвижный наблюдатель), видит неподвижную плоскость меридиана и летящий снаряд, который отклоняется от этой плоскости на запад. С любой точки зрения плоскость движения снаряда не совпадает с плоскостью начального меридиана, только один наблюдатель приписывает это несовпадение движению Земли, а другой – движению самого снаряда. Земной наблюдатель знает, конечно, что причиной «отклонения» на самом деле является вращение Земли. Однако для практических вычислений часто бывает удобнее считать, что боковое отклонение снаряда вызвано некоторой силой, которая действует только в неинерциальной системе отсчета. Такие силы называют силами инерции. От обычных сил они отличаются тем, что они не являются результатом взаимодействия каких-то двух тел. Во вращающейся системе отсчета действуют силы инерции двух типов: центробежная сила инерции, которая зависит только от расстояния до оси вращения, и сила Кориолиса, зависящая только от скорости тела (материальной точки) относительно вращающейся системы отсчета.

Центробежная сила инерции Почему у мальчика, который катается на карусели, при увеличении скорости вращения слетает шапка? На этот вопрос можно ответить по-разному. С точки зрения неподвижного наблюдателя, стоящего около карусели, объяснение будет таким. Пока скорость вращения была небольшой, шапку удерживала на голове мальчика сила трения, которая и сообщала шапке необходимое центростремительное ускорение. С увеличением угловой скорости вращения карусели центростремительное ускорение должно увеличиваться, а сила трения покоя может расти до определенного предела . Поэтому в какой-то момент шапка теряет связь с головой мальчика , она движется по инерции равномерно и прямолинейно, а карусель вместе с мальчиком уходит от шапки. Подвижный наблюдатель, связанный с каруселью, скажет, что кроме силы трения на шапку действует еще центробежная сила инерции, равная по абсолютной величине: FИ.Ц. = mω 2r, где m – масса шапки, ω - угловая скорость вращения карусели, а r – расстояние до оси вращения. Центробежная сила инерции лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения и направлена по радиусу в сторону от центра. Выражение для FИ.Ц. можно записать в векторной форме. 12

Сила Кориолиса — одна из сил инерции, существующая в неинерциальной системе отсчёта изза вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения.

Шарик на вращающемся диске рая оказывается под шариком на расстоянии Пусть в центре диска находится шарик, который может скользить по диску абсолютно без трения. В некоторый момент времени шарику сообщается скорость vрад , направленная вдоль одного из радиусов. Как будут описывать характер движения шарика два наблюдателя – неподвижный и подвижный, вращающийся на диске? Очевидно, что для неподвижного наблюдателя шарик на диске движется с постоянной скоростью vрад по прямой линии. Расстояние, которое проходит шарик по диску от его центра к моменту времени t, равно vрадt.

Рис. 1 След, который оставляет шарик на вращающемся диске (рис.1), представляет траекторию шарика с точки зрения подвижного наблюдателя, находящегося на диске. Для этого наблюдателя шарик движется не прямолинейно, а описывает некоторую кривую линию. Но это означает, что шарик движется с ускорением. Следовательно, во вращающейся системе появляется сила, которая и сообщает это ускорение. Определим, чему равна эта сила в самом начале движения шарика. За малый промежуток времени от начала движения шарик, перемещаясь вдоль красной линии (рис .1), удаляется от центра диска на расстояние Δl=vрадΔt. За это же время диск поворачивается на угол Δφ=ωΔt (ω - угловая скорость вращения диска). Та точка диска, кото-

Δl от центра диска, за время Δt прошла расстояние Δs=Δl Δφ=vрадωΔt2. Конечно, все точки вращающегося диска движутся по окружностям, но мы рассматриваем столь малый промежуток времени, что можно считать движение точек, близких к центру диска, прямолинейным. Тогда Δs есть перемещение точки, которая в начальный момент времени находилась на расстоянии Δl от центра, в направлении, перпендикулярном красной линии. Для наблюдателя, находящегося на диске, шарик за время Δt перемещается в противоположном направлении на то же самое расстояние Δs = vрад ω Δt2 и при этом перемещается равномерно вдоль радиуса. Сравнив выражения для Δs с формулой для пути при равномерном движении – s = (at2)/2, мы замечаем, что в нашем примере для подвижного наблюдателя в течение промежутка времени Δt движения шарика в направлении, перпендикулярному вектору скорости, будет равноускоренным с ускорением a=2vрадω. Следовательно, во вращающейся системе именно в этом направлении и действует на шарик массы m сила FК = 2mvрад ω. Это сила Кориолиса, направленная перпендикулярно радиусу, то есть перпендикулярно скорости тела (рис . 2).

Рис. 2

National Physics №2 В 1851 году французский ученый Леон Фуко (1810 - 1868) продемонстрировал фактически первое экспериментальное доказательство вращения Земли вокруг своей оси. Он осуществил свой эксперимент в 2 часа ночи 8 января 1851 года в погребе своего дома на ул. Ассаса в Париже. Для этого был использован маятник длиною 2 метра. В феврале с разрешения Доминика Франсуа Араго он повторил опыт в Парижской обсерватории, на этот раз, удлинив маятник до 11 метров. В подготовке эксперимента принимал также участие ассистент Фуко Фромент. Первая публичная демонстрация была осуществлена уже в марте 1851 года в Парижском Пантеоне: под куполом Пантеона Фуко подвесил металлический шар массой 28 кг с закреплённым на нём остриём на стальной проволоке длиной 67 м, крепление маятника позволяло ему свободно колебаться во всех направлениях, под точкой крепления было сделано круговое ограждение диаметром 6 метров, по краю ограждения была насыпана песчаная дорожка таким образом, чтобы маятник в своём движении мог при её пересечении прочерчивать на песке отметки. Чтобы избежать бокового толчка при пуске маятника, его отвели в сторону и привязали верёвкой, после чего верёвку пережгли.

Маятник Фуко

14 #Сила Кориолиса

Рис. 3

Если внимательно следить за плоскостью колебания маятника, то оказывается, что она не остается постоянной для земного наблюдателя, а медленно поворачивается по часовой стрелке

Этот опыт удивляет зрителей даже сейчас, а раньше на него смотрели как на чудо. Сейчас мы его очень легко можем объяснить. Пусть для простоты рассуждений, маятник подвешен на полюсе. С точки зрения неподвижного наблюдателя, находящегося в инерциальной системе отсчета, плоскость колебаний маятника, конечно, неподвижна, а Земля вращается против часовой стрелки. По той же причине след движения шарика на горизонтальной плоскости был не прямой, а сложной кривой. Земной наблюдатель, связанный с вращающейся системой отсчета, объяснит поворот плоскости колебаний действием на шарик силы Кориолиса. При небольших отклонениях маятника от положения равновесия можно считать, что скорость шарика в любой момент перпендикулярна к угловой скорости ωз вращения Земли, поэтому кориолисова сила всегда лежит в горизонтальной плоскости и направлена перпендикулярно к скорости шарика вправо, если смотреть по направлению движения шарика. Эта сила и вызывает поворот плоскости колебаний маятника, причем угловая скорость поворота как раз равна угловой скорости вращения Земли. Нетрудно сказать, что если маятник подвешен в месте, широта которого равна φ, то угловая скорость будет равна ωзsinφ, обращаясь в ноль на экваторе. Для этого достаточно найти проекцию ωз на нормаль к плоскости горизонта. Картина качания маятника содержит интересные детали. Если мы попытаемся понять, какую же линию вычерчивает маятник Фуко на плоскости, то обнаружим, что форма траектории зависит от того, как маятник начал качаться. Если маятник начал свое движение из положения покоя (вертикального положения на полюсе), то и при движении он всегда будет проходить через полюс, и будет рисовать на плоскости кривую, изображенную на рисунке 3,а. Если в начальный момент маятник был максимально отклонен, то для инерциального наблюдателя он имел в этот момент отличную от нуля угловую скорость, и значит, для такого наблюдателя маятник качается не в одной плоскости, а выписывает на плоскости, перпендикулярной плоскости колебаний, эллипс. Наблюдатель на Земле будет видеть траекторию, которую можно описать как поворачивающийся эллипс (рис.3, б). Траектория теперь не проходит через полюс

Маятник Фуко на северном полюсе. Ось вращения Земли лежит в плоскости колебаний маятника 15

National Physics №2

Возникновение восходящего закрученного п под влиянием Силы Кориолиса

Рассмотрим возможный способ возникновения восходящего закрученного потока (ВЗП), встречающегося в торнадо и тропических циклонах, учитывая при этом, что в природе могут существовать и другие способы, отличные от предлагаемого. 16

потока

Причиной возникновения восходящего закрученного потока (ВЗП) является вертикальное движение вверх теплого воздуха, вызванное локальным прогревом солнечной энергии участков суши или водной поверхности и прилегающим к ним воздушных масс. На рис.4,а стрелками показан восходящий поток, а теплая часть поверхности Земли выделено жирно. Как показывают наблюдения, зарождения тропических циклонов и торнадо на Земле происходит там, где имеется Рис. 4 сильный прогрев поверхности и прилегающих воздушных масс - в районах, расположенных рядом вблизи экватора для тропических циклонов и на территории южных равнинных штатов США для торнадо. И чем больше прогрев поверхности и прилегающих воздушных масс, тем на большую высоту проникают восходящие тепловые потоки. На смену восходящим объемам воздуха. Известно (и это подтверждено многочисленными расчетами восходящих конвективных течений), что на смену восходящим объёмам воздуха новые объёмы воздуха приходят в область восходящего потока снизу (рис.4,б). Так начинает образовываться придонная часть восходящего потока. Естественно, что вначале придонное движение в плоскости xOy имеет радиальный характер: от периферийных областей к основанию восходящего теплового потока со всех сторон. На рис.5 начальное радиальное движение в плоскости xOy изображено векторами скорости V отдельных частиц газа, а заштрихованный круг обозначает область восходящего теплового потока. Из-за радиального движения воздуха в формирующейся придонной части благодаря действию силы Кориолиса возникает также и окружное движение в положительном направлении, то есть против часовой стрелки. Возникшая в придонной части закрутка газа приводит к тому, что наблюдающееся в плоскости xOy движение частиц к восходящему тепловому потоку будет происходить уже не по прямым, а по спиралям. Движение по спиралям, в свою очередь, увеличит время нахождения частиц газа в начинающей вращаться придонной части. Следовательно, на частицы газа все более продолжительное время будет действовать сила Кориолиса, что увеличит скорость газа, в том числе ее окружную составляющую. Усилится закрутка газа и увеличится время нахождения частиц газа в придонной части. Еще раз подчеркнем, что газ и в придонной и в вертикальной восходящей частях потока все время движется. Каждая отдельная частица газа в какой-то момент времени попадает в придонную часть и начинает в плоскости xOy движение по спирали благодаря действию силы Кориолиса. После нахождения в придонной части в течение длительного времени частица газа приобретает значительную по величине окружную составляющую вектора скорости ее движения и попадает в восходящую вертикальную часть потока. Через какое-то время, пройдя по винтовой линии вдоль вертикальной части потока, частица покидает его в верхней части.

Рис. 5

National Physics №2

Где еще можно обнаружить влияние силы Кориолиса? Сила Кориолиса ответственна за вращение циклонов и антициклонов: в Северном полушарии вращение воздушных масс происходит в циклонах против часовой стрелки, а в антициклонах — по часовой стрелке; в Южном — наоборот: по часовой стрелке в циклонах и против — в антициклонах. Отклонение ветров (пассатов) при циркуляции атмосферы — также проявление силы Кориолиса. Если бы рельсы были идеальными, то при движении железнодорожных составов под воздействием силы Кориолиса один рельс изнашивался бы сильнее, чем второй. В северном полушарии больше изнашивается правый, а в южном левый. Силу Кориолиса необходимо учитывать при рассмотрении планетарных движений воды в океане. Она является причиной возникновения гироскопических волн. При идеальных условиях сила Кориолиса определяет направление закручивания воды например, при сливе в раковине. Однако идеальные условия трудно достижимы. Поэтому феномен «обратного закручивания воды при стоке» является скорее околонаучной шуткой. Сила Кориолиса — это эффект ускорения кручения танцоров и фигуристов. Чтобы ускорить своё вращение, человек может начать крутиться с широко разведёнными в стороны руками, а затем — уже в процессе — резко прижать руки к туловищу, что вызовет увеличение круговой скорости (согласно закону сохранения момента импульса). Эффект силы Кориолиса проявится в том, что для такого движения руками придётся прикладывать усилия не только по направлению к телу, но и в направлении по вращению. При этом возникает ощущение, что руки отталкиваются от чего-то, при этом ещё больше ускоряясь. Гаспар-Гюстав Кориолис и не ожидал, что его имя может стать одним из самых упоминаемых в метеорологии.

National Physics №2

Клим Сладков:

Вечный двигатель Введите

в Яндексе “вечный двигатель”, и вам предложат его купить.

Индийский или арабский вечный двигатель с небольшими косо закреплёнными сосудами, частично наполненными ртутью

Там продают, конечно, не бесконечные источники энергии, а безобидные, не противоречащие законам физики игрушки. А perpetuum mobile никому и никогда не получится изобрести, даже в параллельной вселенной с другим числами π и e, потому что закон сохранения энергии - фундаментальный закон, вытекающий, согласно теореме Нётер, из однородности времени. Вечный двигатель. Не. Получится. Изобрести! А много кто хотел! Например, вечный двигатель первого рода(тот, который производит энергии больше, чем получает) придумывал ещё в 12 веке индийский учёный Бхаскара, описавший в стихотворении(лженаука - это тоже искусство) колесо с наполненными ртутью сосудами по ободу. И понеслась! Учёные и шарлатаны стали биться над механизмом, дающим дешёвую энергию для развивающегося производства. И все они двигали науку вперёд, пытаясь понять, почему гениальная, на первый взгляд, идея не работает на практике. Так, Симон Стевин, рассматривающий такой вечный двигатель, пришёл к выводу, что силы тяжести, действующие на грузы, пропорциональны длинам плоскостей, на которых они лежат. Из этого принципа вырос векторный закон сложения сил и пред-

Механический перпетуум мобиле Джеймса Фергюсона Вечный двигатель Симона Стевина 20

ставление о том, что силы нужно описывать новым математическим объектом — вектором. Мозги кипели, новые идеи и мечты строились и разбивались о законы физики, которые заставляли идти дальше, от механики и гидростатики к электричеству и молекулярной физике. К середине XVIII века, после многовековых попыток создать вечный двигатель, большинство учёных стали считать, что сделать это невозможно. Это был просто экспериментальный факт. А дальше три выдающихся учёных: Юлиус Майер, Джеймс Джоуль и Герман Гельмгольц сформулировали закон сохранения энергии, прервав попытки образованной общественности создавать энергию из неоткуда. А почему бы не получать энергию из того, что обладает огромной энергией в природе, спросите вы? Тёплый океан, вечно движущиеся планеты? И тут на выручку пришли Лорд Кельвин (Уильям Томсон) и Рудольф Клаузиус, утверждавшие, что совершение работы только за счёт охлаждения нагревателя в круговом процессе невозможно или, если хотите, передача тепла от горячего тела к холодному невозможна. Следовательно, двигатели с равным единице КПД невозможны. Эти разные формулировки второго начала термодинамики, пусть и являются недоказанными, а просто вытекающими из того, что подобное поведение является наиболее вероятным, установили невозможность существования вечных двигателей второго рода. Вечные двигатели остались напоминанием о романтических годах науки для учёных, средством заработка для мошенников и великой научной легендой, известной далеко за пределами учёного мира.

Магнитный вечный двигатель

Радиевые вечные часы Стретта

National Physics №2

Интересные факты

Существует легенда о том, что Ньютон проделал в своей двери два отверстия — одно побольше, другое поменьше, чтобы две его кошки, большая и маленькая, могли самостоятельно заходить в дом. В действительности Ньютон никогда не держал ни кошек, ни других домашних животных.

Альберт Эйнштейн Как-то в Германии Эйнштейн принял участие в благотворительном концерте. Местный журналист, восхищённый его исполнением, спросил у соседки: «Кто это играет?» и получил ответ: «Как, вы не узнали? Это же сам Эйнштейн!» — «Ах, да, конечно!» На следующий день в газете появилась заметка о выступлении великого музыканта, несравненного виртуоза-скрипача, Альберта Эйнштейна. «Великий музыкант» пришёл в восторг, вырезал заметку и с гордостью показывал знакомым: «Вы думаете, я учёный? Я знаменитый скрипач, вот кто я на самом деле!» *** Широко известная фотография с высунутым языком была сделана благодаря назойливости журналистов и фотографов, когда один из них в очередной раз попросил Эйнштейна «улыбнуться в камеру» *** Альберт Эйнштейн любил фильмы Чарли Чаплина и относился с большой симпатией к созданному им герою. Однажды он написал в письме к Чаплину: «Ваш фильм «Золотая лихорадка» понятен всем в мире, и Вы непременно станете великим человеком. Эйнштейн» На это Чаплин ответил так: «Я Вами восхищаюсь еще больше. Вашу теорию относительности никто в мире не понимает, а Вы все-таки стали великим человеком. Чаплин». 22

*** Из факта неожиданного назначения Ньютона управителем Монетного двора некоторые биографы заключают, что Ньютон был членом масонской ложи или иного тайного общества. Однако никаких документальных свидетельств в пользу этой гипотезы не обнаружено

Исаак Ньютон

National Physics №2

из жизни

ученых! Общеизвестна легенда, по которой после показного отречения Галилей сказал «И всё-таки она вертится!». Однако доказательств тому нет. Как обнаружили историки, данный миф был запущен в обращение в 1757 году журналистом Джузеппе Баретти и стал широко известен в 1761 году после перевода книги Баретти на французский. *** Лекции Галилея вызывали величайшее восхищение не только по причине их глубокой учёности, но и в силу красноречия и изящества формулировок. Во времена работы в Падуе его лекции приобрели столь широкую славу, что туда стали стекаться студенты из других европейских стран. Иногда для этих лекций отводилась аудитория, в которой могло вместиться 2000 слушателей.

Эрнест Резерфорд Галилео Галилей За добрый нрав Капицa прозвал Резерфорда «Крокодилом». В 1931 году «Крокодил» выхлопотал 15 тысяч фунтов стерлингов на постройку и оборудование специального здания лаборатории для Капицы. В феврале 1933 года в Кембридже состоялось торжественное открытие лаборатории. На торцевой стене двухэтажного здания был высечен по камню огромный, во всю стену крокодил. Его по заказу Капицы сделал известный скульптор Эрик Гилл. Резерфорд сам объяснил, что это он. Входную дверь открыли позолоченным ключом в форме крокодила. *** Получив в 1908 году известие о присуждении ему Нобелевской премии по химии, Резерфорд заявил: «Вся наука — или физика, или коллекционирование марок».

National Physics №2

Кеплер родился очень слабым ребёнком. В 4 года он заразился оспой и чуть не умер. У него были больные печень и желудок, часто болела голова. Кроме того, он имел врожденные недостатки зрения – сильную близорукость и дефект, при котором один объект кажется множественным (глядя на Луну, Кеплер видел несколько Лун). Болезни преследовали его всю жизнь. Тем более достойны уважения его мужество и сила духа, благодаря которым он смог добиться поразительных научных успехов и стать одним из творцов современной астрономии и физики. *** На жизнь Кеплер зарабатывал составлением гороскопов. Ему принадлежит остроумное высказывание: «Астрология – дочь астрономии, хотя и незаконная, и должна кормить свою мать, которая иначе умерла бы с голоду».

Поль Дирак Однажды Дирак читал лекцию по квантовой механике, изрисовал всю доску и под конец спросил: — Вопросы есть? — Я не понял, как вы вывели последнюю формулу, — сказал один студент. — Это утверждение. Я спрашивал: вопросы есть? *** Дирак женился на сестре Вигнера. Вскоре к нему в гости заехал знакомый, который еще ничего не знал о происшедшем событии. В разгар их разговора в комнату вошла молодая женщина, которая называла Дирака по имени, разливала чай и вообще вела себя как хозяйка дома. Через некоторое время Дирак заметил смущение гостя и, хлопнув себя по лбу, воскликнул: “Извини, пожалуйста, я забыл тебя познакомить – это... сестра Вигнера!”.

Иоганн Кеплер

Стивен Хокинг общается с миром при помощи компьютера и синтезатора речи. Сложнейшее устройство способно реагировать даже на самое легкое нажатие пальца – поэтому знаменитый физик легко управляется как с написанием книг и чтением публичных лекций, так и с набором e-mail сообщений. Однако состояние руки постепенно ухудшается, и профессору приходится осваивать новую машину, которая регистрирует движение век и щеки в качестве управляющих команд. *** Хокинг стал профессором математики, не получая никакого математического образования со времён средней школы. Он спасался лишь тем, что читал университетские учебники «на опережение», стараясь «обогнать» своих студентов приблизительно на две недели.

Лев Ландау

Помимо науки, Ландау известен как шутник. Его вклад в научный юмор довольно велик. Обладая тонким, острым умом и прекрасным красноречием. Он породил термин «так говорил Ландау», а также стал героем различных юмористических историй. Характерно, что шутки не обязательно связаны с физикой и математикой.

*** В книге «Краткая история времени», которая стала бестселлером и прославила Стивена Хокинга на весь мир, встречается лишь одна формула знаменитое уравнение Эйнштейна E=mc2.

Стивен Хокинг

*** Единственной не физической теорией Ландау была теория счастья. Он считал, что каждый человек должен и даже обязан быть счастливым. Для этого он вывел простую формулу, которая содержала три параметра: работа, любовь и общение с людьми

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

Ричард Фейнман один из создателей квантовой электродинамики. В 1943—1945 годах входил в число разработчиков атомной бомбы в Лос-Аламосе. Разработал метод интегрирования по траекториям в квантовой механике (1948), а также т. н. метод диаграмм Фейнмана (1949) в квантовой теории поля, с помощью которых можно объяснять превращения элементарных частиц. Предложил партонную модель нуклона (1969), теорию квантованных вихрей. Реформатор методов преподавания физики в вузе. Лауреат Нобелевской премии по физике (1965, совместно с С. Томонагой и Дж. Швингером). Помимо Нобелевской премии, Фейнман был удостоен премии Альберта Эйнштейна Мемориального фонда Льюиса и Розы Страусс (1954), премии по физике Эрнеста Орландо Лоуренса Комиссии по атомной энергии Соединенных Штатов Америки (1962) и международной золотой медали Нильса Бора Датского общества инженеров-строителей, электриков и механиков (1973). Фейнман был членом Американского физического общества, Бразильской академии наук и Лондонского королевского общества. Он был избран членом Национальной академии наук США, но позднее вышел в отставку. Кроме теоретической физики, занимался исследованиями в области биологии.

Детские годы и юность Ричард Филлипс Фейнман родился в обеспеченной еврейской семье. Фейнман — потомок эмигрировавших в США в конце XIX века евреев из России и Польши. Его отец Мелвилл и мать Люсиль (Lucille), жили в Фар Рокэвей, на юге Куинса в Нью-Йорке. Его отец решил, что если у него родится мальчик, то этот мальчик будет учёным. (В те годы от девочек, хоть они и могли деюре получить академическую степень, не ожидалось научное будущее. Младшая сестра Ричарда Фейнмана, Джоан Фейнман, опровергла это мнение, став известным астрофизиком). Отец старался развить детский интерес Ричарда к познанию окружающего мира, подробно отвечая на многочисленные вопросы ребёнка, используя в ответах знания из областей физики, химии, биологии, часто ссылаясь на справочные материалы. Обучение не было давящим; отец никогда не говорил Ричарду, что он должен быть учёным. От своей матери Фейнман унаследовал зажигательное чувство юмора. Свою первую работу Фейнман получил в 13 лет, ремонтируя радиоприёмники. Он приобрёл известность среди соседей, потому что, во-первых, чинил радиоприёмники быстро и качественно, а во-вторых молча стоял перед ремонтом по 20-30 минут, размышляя о причинах поломки.

National Physics №2

Первая женитьба и работа в Лос-Аламосе Фейнман в Лос-Аламосе Ричард Фейнман закончил четырёхлетнее обучение в Массачусетском технологическом институте на факультете физики и продолжил обучение в Принстонском университете. Когда разразилась Вторая мировая война, Фейнман, будучи уже аспирантом Принстона, попытался пойти добровольцем на фронт. Однако, все, что ему смогли предложить в местной призывной комиссии — это строевая подготовка на общих основаниях. После недолгих раздумий, Ричард отказался, в надежде, что физику смогут найти в армии лучшее применение. Вскоре, он принял участие в разработке последних, перед появлением первых компьютеров, механических счетных машин, которые работали для расчета артиллерийских траекторий. Во время написания квалификационной работы на соискание степени доктора философии по физике, Фейнман женился на Арлин Гринбаум, в которую был влюблён с тринадцати лет и с которой был помолвлен в 19 лет. К моменту свадьбы Арлин была обречена на смерть от туберкулёза. Родители Фейнмана были против свадьбы, но Фейнман, тем не менее, поступил по-своему. Церемония бракосочетания была проведена по пути на вокзал для отбытия в Лос-Аламос; свидетелями были счетовод и бухгалтер, служащие мэрии Ричмонда; родственников новобрачных на церемонии не было. По окончании церемонии, когда пришёл черёд мужу целовать невесту, Ричард, помня о болезни жены, запечатлел целомудренный поцелуй на щеке Арлин. В Лос-Аламосе Фейнман принимал участие в разработке атомной бомбы. На момент набора персонала Фейнман всё ещё учился в Принстоне, и ему подал идею вступить в проект знаменитый физик Роберт Уилсон. Поначалу Фейнман не горел желанием работать над атомной бомбой, но потом подумал, что будет, 28

если нацисты изобретут её первыми, и присоединился к разработке. В то время, когда Фейнман работал в Лос-Аламосе, его жена Арлин находилась в больнице города Альбукерке неподалёку, и каждые выходные Фейнман проводил с ней. Во время работы над бомбой Фейнман приобрёл неплохие навыки взломщика сейфов. Он убедительно доказал недостаточность принимаемых военными мер безопасности, выкрадывая всю информацию по разработке атомной бомбы из сейфов других сотрудников — абсолютно всю, от технологии обогащения урана и до руководства по сборке бомбы. Правда, эти документы были нужны ему для работы. В своей книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» он рассказывает, что занимался открыванием сейфов из любопытства (как и многим другим в своей жизни) и после долгого изучения предмета нашёл несколько уловок, которыми пользовался для открывания сейфовых шкафов в лаборатории. Также в этом деле ему часто помогало везение, все вместе создало ему в коллективе репутацию взломщика.

Послевоенное время и основной вклад в науку С 1950-х годов Фейнман работал исследователем в Калифорнийском технологическом институте. После войны и смерти жены Фейнман чувствовал себя опустошённым, поэтому его не переставало удивлять количество писем, предлагающих ему посты на кафедрах университетов. В конце концов он даже получил приглашение в Принстон — а там преподавали такие гении, как Эйнштейн. Фейнман решил, что если мир хочет его, он его получит, а оправдаются ожидания мира заполучить великого физика или нет — это не его [Фейнмана] проблема. Как только Фейнман прекратил сомневаться в себе и ставить себе какие-то рамки и цели, он снова почувствовал прилив сил и вдохновения. Тогда же Фейнман пообещал себе не работать с тем, с чем он не сможет поиграть. В 1960-х годах по просьбе академии Фейнман потратил три года на создание нового курса физики. Результатом был учебник «Фейнмановские лекции по физике», который и по сей день считается одним из лучших учебников по общей физике для студентов. Фейнман также сделал важный вклад в методологию научного познания, разъясняя студентам принципы научной честности и публикуя соответствующие статьи (например, о культе карго). В 1964 году Фейнман прочитал в Корнелльском университете 7 популярных лекций по физике «Характер физических законов», которые легли в основу книги

National Physics №2

Квантовая электродинамика Незадолго до того как Фейнману исполнилось 30 лет, он разработал метод интегрирования по траекториям в квантовой механике, оказавший огромное влияние не только на физику, но и на химию. В начале 1948 года Ричард Фейнман выступил на конференции в Пенсильвании. Тогда он преподавал теоретическую физику в Корнеллском университвтв (США) и тогда же представил свои первые идеи о квантовой электродинамике (КЭД) — теории, которая описывает все взаимодействия с участмем заряженных частиц. Поскольку поведение атомов и молекул зависит от взаимодействия с участием заряженных частиц. Проблема была в том, что никто не понимал, что Фейнман имел в виду, — он использовал новый подход, чтобы проиллюстрировать поведение элементарных частиц, из которого позже возникли знаменитые диаграммы Фейнмана.

На той же самой встрече в Пенсильванской деревушке Поконо-Мэнор физик из Гарварда Джулиан Швингер представил другую версию квантовой электродинамики. И снова никто не понял ее — на этот раз потому, что она была очень сложна математически. И вскоре после этого появились новости из Японии, что еще один физик Синъитиро Томонага независимо от них разработал третью версию квантовой электродинамики. Прочие физики оставались сбиты с толку до тех пор, пока еще один ученый, британец по происхождению Фримен Дайсон, не опубликовал в 1949 году статью «Теории излучения Томонаги, Швингера и Фейнмана», в которой показал, что все три теории эквивалентны друг другу, и сделал очевидным, что с версией Фейнмана удобнее всего работать. Дайсон перевел теорию Фейнмана на язык, который могли понять обычные физики. Собственное представление Фейнмана о квантовой электродинамике было полностью изложено в трёх больших статьях опубликованных в следующие три года. Воздействие квантовой электродинамики на науку нельзя переоценить. Она объясняет всё, за исключением гравитационных взаимодействий. Это также самая точная теория, которая когда-либо проверялась с помощью экспериментов на Земле. Один из них сопряжён с измерением так называемого магнитного момента электрона, обусловленного наличием у него собственного механического момента — спина. Фейнман с гордостью указывал, что расхождение между теорией и результатами этого эксперимента не больше,чем 0,00000002%, — это всё равно что измерить расстояние между Лос-Анджелесом и Нью-Йорком с точностью до 30

толщины человеческого волоса. Томанага, Швингер и Фейнман разделили Нобелевскую премию по физике за 1965 год, но к тому времени фейнмановская версия уже стала общепризнанным способом решать задачи, связанные с квантовой электродинамикой. На конференции Американского физического общества Дайсон сказал: «У нас есть ключ от Вселенной. Квантовая электродинамика делает всё, что нам необходимо. Мы знаем, как вычислить любую величину, связанную с электронами и фотонами. Остается лишь применить те же самые идеи, чтобы понять слабое взаимодействие, гравитацию и ядерные силы». Он был по большей части прав. Теория слабого взаимодействия, которая объясняет радиоактивный распад элементарных частиц, была разработана как электрослабая теория — расширение квантовой электродинамики. Теория сильного ядерного взаимодействия, которую называют квантовой хромодинамикой (КХД), близко следует подходам квантовой электродинамики. Она описывает формирование протонов и нейтронов из кварков, «склеенных» глюонами. И только гравитация упорно отказывается присоединиться «к общему стаду». Но всё равно можно уверенно говорить, что квантовая электродинамика сыграла центральную роль в теоретической физике. В свои тридцать с небольшим лет Фейнман стал ведущим физиком своего поколения.

Нанотехнологии

Сторонник развития технологий малых масштабов, Фейнман способствовал наступлению эры микроскопической инженерии. Фейнман не был просто теоретиком. Он интересовался ппрактическими применениями науки и технологии и не мог понять теорию или математическую выкладку до тех пор, пока её автор не предъявит явления или процесса, которые за этим стоят. В 1959 году выступил на встрече Американского физического общества с речью «Внизу полно места», которая оказалась пророческой. Он объявил два конкурса, каждый с призом в 1000 долларов. Первый предполагал создание электромотора, который мог бы поместиться в кубе со стороной 1/64 дюйма (396 мкм). К удивлению Фейнмана, приз был востребован уже в ноябре 1960 года — инженером Уильямом Маклелланом. Маклеллан заявился к Фейнману с большой деревянной коробкой. Фейнман заподозрил, что настало время достать чековую книжку, когда коробку открыли, а в ней оказался микроскоп, который Маклеллан принёс, чтобы учёный смог разглядеть его мотор. Второй приз был предназначен для первого человека, который найдёт способ написать текст такими мелкими буквами, чтобы поместить всю «Британскую энциклопедию» на головке булавки. Все написанные когда-либо книги в таком масштабе уместились бы в небольшой брошюре, которую можно было бы унести в руке. Приз был востребован в 1985 году Томом Ньюманом, аспирантом Стэнфордского университета, который сумел записать так первую страницу

National Physics №2 «Повести о двух городах» Диккенса с помощью пучка электронов. К середине 1990-х годов ученые Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) «напечатали» целые книги на стальных пластинках размером 25 х 2 мм, на каждой из которых было сохранено 2 Гбайта информации. Скорее всего, именно такой способ (а не уязвимые электронные носители) будет лучшим для сохранения информации на века. Но ключевое прозрение Фейнмана не в том, что он предвидел появление нового оборудования, а в том, что подчеркнул важность хранения данных максимально эффективным способом. Сегодня физики манипулируют уже отдельными атомами и электронами как единицами и нулями для записи информации в двоичном коде. Это окончательное воплощение того, что Фейнман предвидел более чем полстолетия назад.

Миры внутри миров Ричард Фейнман стал отцом идеи о частицах, существующих внутри других частиц. Составная природа нуклонов (протонов и нейтронов, состоящих из троек кварков) – краеугольный камень современной теории элементарных частиц (Стандартной модели). Эта теория описывает все случаи электромагнитного, слабого и сильного (ядерного) взаимодействий. Кварки взаимодействуют, обмениваясь глюонами, что похоже на обмен фотонами между взаимодействующими заряженными частицами. Важно помнить, что весь этот комплекс идей о частицах внутри частиц разработан Фейнманом в 1960-е годы, когда само предположение о существовании кварков казалось чрезвычайно рискованной идеей. Фейнман использовал термин «партоны», называя так кварки и глюоны. Ученый способствовал проведению экспериментов, которые бы доказывали существование этих партонов. Его коллега физик Мюррей Гелл-Манн, порой жестоко оппонировавший идеям Фейнмана (хотя ему приписывают саму идею кварков), смеясь над тем, что он называл фейнмановскими уловками. Однако, как и фейнмановские диаграммы, теория партонов сделала физику частиц доступной даже для тех, кто не так одарен, как Фейнман и Гелл-Манн. Кроме того, за Фейнманом осталось последнее слово. Его идеи были восприняты экспериментаторами крупнейшего линейного ускорителя частиц, построенного недалеко от главного университетского кампуса Стэнфорда в августе 1968 года. Физик посетил центр и ознакомился с полученными там данными. Он быстро понял, что результаты соответствуют предсказаниям его партонной модели, после чего эти идеи распространились по центру, как лесной пожар. Дальнейшие экспрерименты были вдохновлены уже полученными доказательствами существованиями кварков, а также других разновидностей партонов, предсказанных Фейнманом. Экспериментаторы – Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор – получили Нобелевскую премию в 1990 году, два годя спустя после того, как Фейнман умер.

Ускоритель частиц SLAC, который помог подтвердить партонную модель Фейнмана

Сверхтекучесть Фейнман описал с помощью уравнения Шредингера странное поведение жидкостей при температуре, близких к абсолютному нулю. В 1950-е годы, еще до того как ему исполнилось 40 лет, Фейнман обратил свое внимание на другую загадку – сверхтекучесть, то есть парадоксальное поведение жидкого гелия, текущего без трения вблизи абсолютного нуля (-273 °C). Вопросу формулировки теории сверхтекучести Фейнман посвятил серию из 10 статей, опубликованных в 1953-1958 годах (это больше, чем он написал о квантовой электродинамике). Выдающийся физик Лев Ландау независимо от него пришёл к объяснению поведения жидкого гелия, которое, по сути, было тем же самым, что и у Фейнмана, но изложено в книге математическим языком, и получил Нобелевскую премию за эту работу в 1962 году. Если бы тогда не было очевидно, что Фейнман вскоре получит премию за свои работы по квантовой электродинамике, Нобелевский комитет вполне мог бы разделить с ним премию Ландау. Фейнман определённо заслужил это.

Жидкий гелий в сверхтекучей фазе. Диаграммы Фейнмана Они позволили описывать поведение мельчайших частиц и показали, что происходит в субатомном мире. Ключом к Фейнмановскому способу решать задачи квантовой электродинамики стали диаграммы, которые сейчас носят его имя. Диаграммы Фейнмана — наглядный и эффективный способ описания взаимодействия в квантовой теории поля (КТП). С помощью таких диаграмм в квантовой электродинамике поясняют, почему одноименные заряды отталкиваются. По мнению многих, фейнмановские диаграммы существуют, чтобы служить графической иллюстрацией сути происходящего.

National Physics №2 В качестве примера рассмотрим диаграммы Фейнмана в квантовой электродинамике (КЭД), которая описывает взаимодействие электронов, позитронов и фотонов между собой. В КЭД имеются всего один тип вершин (рис. 1) и два типа линий (рис. 2). Ненаправленная волнистая линия относится к фотону, а направленная прямая — к электрону и позитрону. В последнем случае распространению основной частицы (электрона) соответствует движение вдоль линии по направлению стрелки, а распространению античастицы (позитрона) — движение против стрелки. Каждая диаграмма Фейнмана имеет несколько интерпретаций в зависимости от направления движения вдоль линий этой диаграммы. Так, для диаграммы Фейнмана, изображённой на рис. 3, допустимы следующие варианты. 1. Движение по линиям слева направо — рассеяние фотона на электроне. В вершине 1 начальный электрон поглощает начальный фотон, при этом образуется промежуточный электрон, который распространяется от вершины 1 к вершине 2. Здесь он излучает конечный фотон и превращается в конечный электрон. Результатом процесса является перераспределение 4-импульса (энергии и импульса) между электроном и фотоном. 2. Движение по линиям справа налево — рассеяние фотона на позитроне. 3. Движение снизу вверх — аннигиляция электрона и позитрона с превращением их в два фотона. 4. Движение сверху вниз — рождение электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Но истинная сила диаграмм в том, что каждая линия и каждое пересечение линий представляют собой математическое выражение, отражающее поведение элементарных частиц. Для грамотного физика диаграмма Фейнмана может читаться как страница уравнений, но только значительно быстрее. Есть кое-что ещё. Волнистая линия, связывающая два электрона, на самом деле представляет не единственный фотон, а совокупность всех возможных способов, каким фотон может переходить от одного электрона к другому, - так называемый интегральный путь. Она даже не описывает путь движения фотона, именно поэтому на ней нет стрелки, а физики для рассказа о происходящем используют слово «обмен».

Инфляция Фейнман предположил, как Вселенная могла рождаться «из ничего» В лекциях по теории гравитации, прочитанных в Калифорнийском технологическом институте в начале 1960-х годов, Фейнман поддержал тогда «безумную», а теперь общепринятую идею о том, что Вселенная могла появиться из сингулярности. Он обратил внимание на то, что отрицательная энергия гравитационного поля, связанного с каким-либо объектом, в точности уравновешивает энергию его массы покоя. Поэтому для появления Вселенной «из ничего» требуется, чтобы материи в ней было ровно столько, сколько нужно для обеспечения так называемой критической плотности (около одного атома на м3), при которой пространство-время оказывается «плоским» и любой треугольник в пространстве будет иметь сумму углов 180°. Но на тот момент наблюдения показывали, что плотность Вселенной была значительно ниже этого значения (астрономы не знали о темном веществе). Это не обеспокоило Фейнмана, заявившего: «Критическая плотность — это просто лучшее значение плотности, которое можно использовать для решения космологических проблем».

Космологи, не знакомые с озарением Фейнмана, в 1970-е и 1980-е годы разработали теорию инфляции, которая тоже основана на идее развития Вселенной из сингулярности. Инфляция в первые мгновения существования Вселенной очень быстро «раздувала» её, обеспечив потрясающую однородность. А 40 лет спустя после фейнмановских лекций зонд WMAP показал, что Вселенная имеет критическую плотность, то есть она «плоская» с очень большой точностью.

Участие в психологических экспериментах В 1960-х годах Фейнман участвовал в экспериментах своего друга Джона Лилли по сенсорной депривации. В книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» он описывает многократный яркий опыт испытанных галлюцинаций в специальной камере с солёной водой, изолированной от внешних воздействий. В ходе экспериментов Фейнман даже курил марихуану и принимал кетамин, однако провести опыт с ЛСД он отказался, опасаяь потерять способность мыслить.

Личная жизнь В 1950-х годах Фейнман женился повторно, на Мэри Лу, но скоро развёлся, поняв, что принял за любовь то, что в лучшем случае было сильным увлечением. В начале 1960-х годов на конференции в Европе Фейнман встретил женщину, которая в будущем стала его третьей женой — англичанку Гвинет Ховарт. У пары Ричард-Гвинет родился ребёнок Карл, и они также взяли приёмную дочь, Мишель. Затем Фейнман заинтересовался искусством, чтобы понять, какое именно влияние искусство оказывает на людей. Он брал уроки рисования. Поначалу его рисунки не отличались красотой, но с течением времени он стал неплохим портретистом. Свои картины он подписывал псевдонимом Офей (Ofey). Ofey (сленг) — так афроамериканцы называли белых. Фейнман достиг успеха в создании картин, это позволило ему провести свою персональную выставку. В 1970-х годах Фейнман, его жена и их друг Ральф Лейтон (сын физика Роберта Лейтона) задумали поездку в Тыву. Поездка не состоялась из-за бюрократических проблем, связанных с политикой холодной войны.

Болезнь Фейнмана и его смерть В 1970-х годах выяснилось, что Фейнман болен редкой формой рака. Опухоль в брюшном отделе была удалена, но организм уже невосполнимо пострадал. Одна из почек отказалась работать. Несколько повторных операций не оказали существенного влияния на развитие болезни; Фейнман был обречён. Состояние Фейнмана постепенно ухудшалось. В 1987-м году была обнаружена ещё одна раковая опухоль. Её удалили, но Фейнман был уже очень слаб и постоянно мучился от боли. В феврале 1988-го года он был снова госпитализирован, и врачи обнаружили помимо рака ещё и прободную язву. Вдобавок ко всему, отказала оставшаяся почка. Можно было подключить искусственную почку и подарить Фейнману ещё несколько месяцев жизни, но он подписал отказ от медицинской помощи. 15 февраля 1988 года Ричард Фейнман умер. Он похоронен в простой могиле на кладбище Mountain View в Альтадене. Его жена Гвинет похоронена рядом с ним. В 1985 году вышла книга, оформленная в виде подборки случившихся с Фейнманом историй, под общим названием «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!». Второй том этого сборника называется «Какое тебе дело до того, что думают другие?». По мотивам этих книг был снят фильм «Бесконечность» с Мэттью Бродериком в главной роли, в эпизодических ролях снялись дочь Фейнмана Мишель и сестра Джоан (астрофизик по профессии). 35

National Physics №2

История создания лампы накаливания или Кто придумал лампочку?

#Электро!

Ответы на этот, казалось бы, простой вопрос можно услышать разные. Американцы, несомненно, будут настаивать, что это был Эдисон. Англичане скажут, что это их соотечественник Сван. Французы, возможно, вспомнят «русский свет» изобретателя Яблочкова, который начал освещать улицы и площади Парижа в 1877 году. Кто-то назовет еще одного русского изобретателя - Лодыгина. Вероятно, будут и другие ответы. Так кто же прав? Да пожалуй, все. История электрической лампочки представляет собой целую цепь открытий и изобретений, сделанных разными людьми в разное время.

Прежде чем перейти к хронологии изобретения электрической лампочки, хотелось бы отметить, а что мы подразумеваем под понятием «электрическая лампочка». Прежде всего, это источник света, прибор, устройство в котором происходит преобразование электрической энергии в световую. А вот способы преобразования могут быть разными. В XIX веке этих способов было известно несколько. Поэтому, уже тогда появились несколько типов электрических ламп: дуговые, накаливания и газоразрядные. Электрическая лампа - это техническая система, т.е. совокупность отдельных элементов, необходимых для выполнения главной полезной функции - освещения. История появления и развития электрической лампы неотделима от истории электротехники, которая начинается с открытия электрического тока в XVIII веке. Позже, в XIX веке, по всему миру прокатилась волна открытий, связанных с электричеством. Пошла как бы цепная реакция, когда одно открытие открывало дорогу последующим. Электротехника из раздела физики выделилось в самостоятельную науку, над развитием которой работали целая плеяда ученых и изобретателей: француз Андре-Мари Ампер, немцы Георг Ом и Генрих Герц, англичане Майкл Фарадей, Джеймс Максвелл и другие. Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с изобретения гальванического элемента - химического источника тока (вольтова столба). Этим чрезвычайно важным изобретением итальянский ученый А.Вольта встретил новый 1800 год. А уже в 1801 году профессору Петербургской медико-хирургической академии Василию Петрову удалось уговорить начальство приобрести для своего физического кабинета мощнейшую по тем временам электрическую батарею, состоящую из 4200 пар гальванических элементов. Проводя опыты с этой батареей, Петров в 1802 году открыл электрическую дугу - яркий разряд, который возникает между сведенными на определенное расстояние угольными стержнями-электродами. Он же и предложил использовать дугу для освещения.

Однако, при практической реализации этой идеи возникло много сложностей. Опыты показали, что дуга горит ярко и устойчиво только при определенном расстоянии между электродами. А во время горения дуги угольные электроды постепенно сгорают, увеличивая дуговой промежуток. Требовался механизм-регулятор для поддержания постоянного расстояния между электродами. Изобретатели предлагали разные решения. Но все они имели тот недостаток, что нельзя было включить несколько ламп в одну цепь. Приходилось использовать для каждого светильника свой источник питания. Эту проблему решил в 1856 году изобретатель А.И.Шпаковский, создав осветительную установку с одиннадцатью дуговыми лампами, снабженными оригинальными регуляторами. Эта установка освещала Красную площадь в Москве во время коронации Александра II. 37

National Physics №2 В 1869 году еще один русский изобретатель В.И.Чиколев применил к дуговой лампе дифференциальный регулятор и использовал его в мощных морских прожекторах. Подобные регуляторы используются до сих пор в больших прожекторных установках. К сожалению, все регуляторы горения дуги были ненадежными и дорогими. Решающую роль в переходе от опытов по электричеству к массовому электрическому освещению сыграл русский электротехник Павел Николаевич Яблочков . Свои работы Яблочков начал в России, организовав в 1875 году в Петербурге мастерскую физических приборов. В этом же году ему и пришла идея создать простую и надежную дуговую лампу. Однако финансовый крах предприятия вынудил Яблочкова в 1876 году уехать в Париж, где он продолжил свои работы над дуговой лампой в знаменитой фирме по изготовлению часов и точных приборов Бреге. Проблема стояла все та же - нужен был регулятор. Идея пришла как всегда неожиданно. Помог случай. Напряженно думая над этой проблемой, Яблочков зашел перекусить в небольшое парижское кафе. Пришёл официант. Яблочков, продолжая думать о своём, машинально смотрел, как тот ставит блюдо, кладёт ложку, вилку, нож... И вдруг... Яблочков резко поднялся из-за стола и пошёл к выходу. Он торопился к себе в мастерскую. Решение найдено! Простое и надёжное! Оно пришло к нему, едва он глянул на лежащие рядом, параллельно друг другу, столовые приборы.

Павел Николаевич Яблочков

Да, именно так надо расположить в лампе угольные электроды - не горизонтально, как во всех прежних конструкциях, а параллельно. Тогда оба будут выгорать совершенно одинаково, и расстояние между ними всегда будет постоянным. И никакие сложные регуляторы не нужны.

Конечно, это была только идея, а не полное решение проблемы - создания недорогой и надежной лампы. Потребовалось проделать еще много работы, чтобы этого достичь. Прежде всего, при параллельном расположении электродов дуга может гореть не только на концах электродов, но и по всей их длине, а скорее всего, скатится к их основанию - к токоподводящим зажимам. Эта проблема была решена путем заполнения пространства между электродами изолятором, который постепенно сгорал вместе с электродами. Состав этого изолятора еще нужно было подобрать, что и было сделано, применив для этого глину (каолин). А как зажечь лампу? Тогда наверху, между электродами была помещена угольная тоненькая перемычка, которая сгорала в момент включения, поджигая дугу. Оставалась еще проблема неравномерного сгорания электродов, связанная с полярностью тока. Т.к. электрод «+» сгорал быстрее, его первоначально приходилось делать толще. Другим, гениальным, решением этой проблемы явилось применение переменного тока. Конструкция дуговой лампы оказалась простой: два угольных стержня разделенные изолирующим слоем каолина и укрепленные на простой подставке, напоминающей подсвечник. Сгорали электроды равномерно, и лампа давала яркий свет, причём достаточно продолжительное время. Такая «электрическая свеча» была проста в изготовлении, и стоила дёшево. В 1876 году русский изобретатель представил свое изобретение на Лондонской выставке. А год спустя предприимчивый француз Денейруз добился учреждения акционерного общества «Обще38

ство изучения электрического освещения по методам Яблочкова». Лампы Яблочкова появились в самых посещаемых местах Парижа; на улице Авеню де ль’Опера и на площади Оперы, а также в магазине «Лувр» тусклое газовое и жидкостное освещение заменили матовые шары, которые светились белым, мягким светом. Началось триумфальное шествие «La lumiere russe» (Русского света) по миру. За два года свеча Яблочкова завоевала весь Старый свет, распространившись на Востоке до дворцов персидского шаха и короля Камбоджи.

Электрический фонарь Яблочкова. Концы углей разъединены коломбином. Иллюстрация из «Энциклопедического словаря Trousset», Париж, 1886-1891

Освещение по системе Яблочкова было установлено на улицах Парижа к открытию Всемирной выставки 1878 года.

Ипподром, освещённый свечами Яблочкова. Магазин, освещенный фонарями Яблочкова 39

National Physics №2 В 1876-77 годах были получены несколько французских патентов, как на конструкцию самой лампочки, так и на системы их питания. Производство было поставлено на промышленную основу. Небольшой завод в Париже производил более 8000 свечей в день и несколько десятков электрических генераторов в месяц. Однако вскоре всему этому благополучию пришел конец. Свеча Яблочкова начала постепенно вытесняться более дешевой и долговечной лампой накаливания. *** Принято считать, что изобретателем лампы накаливания является знаменитый американский изобретатель Томас Альва Эдисон. 21 декабря 1879 года в газете «New York Herald» появилась статья о новом изобретении Т.А.Эдисона - «Edison’s light» (Эдисоновский свет), о лампе накаливания с угольной нитью. Спустя несколько дней, 1 января 1880 г., 3 тысячи человек присутствовали в Менло-Парке (США) на демонстрации электрического освещения для домов и улиц. А 27 января того же года им был получен патент США № 223898 «Electric-Lamp» . Все это так. Но в действительности, история с этим патентом и с лампой накаливания гораздо сложнее и интереснее. Первые опыты с накаливанием проводников электрическим током проводились еще в начале XIX века английским ученым Деви. Одни из первых попыток применить накаливание проводников током, именно с целью освещения, проводились в 1844 году инженером де-Молейном, который накаливал платиновую проволоку, помещенную внутрь стеклянного шара. Эти эксперименты не приносили желаемых результатов, т.к. платиновая проволока слишком быстро переплавлялась. В 1845 году в Лондоне Кинг заменил платину палочками угля и получил патент «Применение накаленных металлических и угольных проводников для освещения». В 1854 году, за 25 лет до Эдисона германский часовщик Генрих Гебель представил в Нью-Йорке первые, подходящие для практического применения, лампы накаливания с угольными нитями со сроком горения около 200 часов. В качестве нити он применил обугленную бамбуковую нить толщиной 0,2 мм, помещенную в вакуум. Вместо колбы Гебель из соображений экономии использовал сначала флаконы от одеколона, а позднее - стеклянные трубки. Вакуум в стеклянной колбе он создавал путем заполнения и выливания ртути, то есть с помощью метода, применявшегося при изготовлении барометров. Созданные лампы Гебель использовал для освещения своего часового магазина. Чтобы улучшить свое финансовое положение, он разъезжал по Нью-Йорку на коляске и предлагал всем желающим посмотреть на звезды в подзорную трубу. Коляска, при этом, была украшена его лампочками. Таким образом, Гебель стал первым человеком, кто использовал свет в рекламных целях. Из-за отсутствия денег и связей германский эмигрант не смог получить патент на свою лампу с угольной нитью и о его изобретении быстро забыли.

С 1872 года Александр Николаевич Лодыгин начал в Петербурге опыты по электрическому освещению. В его первых лампах между массивными медными стержнями, расположенными в герметически закрытом стеклянном шаре, была зажата тонкая палочка угля. Несмотря на несовершенство лампы в этом же году банкир Козлов в товариществе с Лодыгиным основал общество для эксплуатации этого изобретения. Академия наук присудила Лодыгину Ломоносовскую премию в 1000 рублей. Построенные Лодыгиным лампы накаливания с угольным стержнем в 1874 году были использованы для освещения петербургского Адмиралтейства. В 1875 году во главе товарищества стал Кон, выпустивший под своим именем усовершенствованную лампу Лодыгина, спроектированную В.Ф.Дидрихсоном. В этой лампе угольки помещались в вакууме, и перегоревший уголек автоматически заменялся другим. Тремя такими лампами в течение двух месяцев освещался в 1875 году магазин белья Флорана в Петербурге, а также, по предложению П.Струве, освещались под водой кессоны при постройке Александровского моста через Неву. В 1875 году Дидрихсон начал изготовлять угольки из дерева, путем обугливаЛампа Лодыгина 1874 г. в Полиния деревянных цилиндриков без доступа воздуха в графитовых тиглях, засыпанных угольным порошком. В 1876 году техническом музее в Москве после смерти Кона товарищество распалось. Дальнейшее усовершенствование лампы было сделано Н.П. Булыгиным в 1876 году. В его лампе накаливался конец длинного уголька, выдвигавшегося автоматически по мере обгорания его конца. Конструкция ламп оказалась непростой и нетехнологичной в изготовлении, а поэтому недешевой, хотя постоянно подвергалась усовершенствованию. В конце 70-х годов того же века на одной из Северо-Американских верфей строили корабли для России, и когда настало время их принимать, туда поехал лейтенант русского флота А. Н. Хотинский. Он взял с собой несколько ламп накаливания Лодыгина. Изобретение уже тогда было запатентовано во Франции, России, Бельгии, Австрии и Великобритании. Он показал русские лампы изобретателю по имени Томас Эдисон, который в то время также работал над проблемой электрического освещения. Сейчас трудно установить насколько описанное обстоятельство повлияло на изобретение Эдисона. Однако, в конце концов, благодаря его работам был совершен качественный скачок в усовершенствовании лампы накаливания. Никаких революционных изменений в лампочку Лодыгина Эдисон не внес. Его лампа представляла собой стеклянную колбу с угольной нитью, из которой выкачан воздух, правда, гораздо тщательнее, чем у Лодыгина. Но заслуга Эдисона, прежде всего в том, что он изобрел и создал надсистему для этой лампы и поставил ее производство на поток, что привело к сильному удешевлению стоимости. Он придумал для лампы винтовой цоколь и патрон к ней, изобрел предохранители, выключатели, первый счетчик энергии. Именно с лампочки Эдисона, электрическое освещение стало действительно массовым, придя в дома простых людей. Особого внимания заслуживает подход Эдисона к решению проблемы нахождения материала для нити накаливания. Он просто пошел путем перебора всех доступных ему веществ и материалов (метод проб и ошибок). Эдисон перепробовал 6000 веществ, содержащих углерод, от обыкновенных швейных ниток, покрытых углем, до продуктов питания и смолы. Лучшим оказался бамбук, из которого был сделан футляр японского пальмового веера. На эту титаническую работу ушло около двух лет.

Лампа Эдисона

National Physics №2

Лампа Эдисона По другую сторону Атлантического океана, в Англии, примерно в тоже время что Лодыгин и Эдисон, над электрической лампочкой работал сер Джозеф Вильсон Сван. В качестве элемента накала он использовал обугленную хлопковую нить и также выкачивал из колбы воздух. Сван получил Британский патент на свое устройство в 1878 году, примерно за год до Эдисона. Начиная с 1879 года, он начал устанавливать электрические лампы в английских домах. Организовав в 1881 году компанию «The Swan Electric Light Company» начал коммерческое производство ламп. Позднее Сван объединился с Эдисоном для коммерческой эксплуатации единой торговой марки «Edi-Swan». Из сказанного следует, что у электрической лампы накаливания на самом раннем этапе было несколько изобретателей. Почти все они имели патенты. Что касается самого известного из них, американского патента Эдисона, то он был признан судом недействительным до окончания срока действия охранных прав. Суд признал, что лампа накаливания была изобретена Генрихом Гебелем за несколько десятилетий до Эдисона. В 1890 году Лодыгин запатентовал в США лампу с металлической нитью из тугоплавких металлов - осьмия, иридия, родия, молибдена и вольфрама. Лампы Лодыгина с молибденовой нитью были выставлены на парижской выставке 1900 года и имели такой большой успех, что в 1906 году американская компания «General Electric» купила у него этот патент. В том же 1906 году в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение. Однако совершенствование лампы накаливания на этом не закончилось. C 1909 года стали применяться лампы накаливания с зигзагообразно расположенной вольфрамовой нитью, а в 1912-13 годах появились лампы, наполненные азотом и инертными газами (Ar, Kr). И наконец, последнее усовершенствование начала XX века - вольфрамовую нить стали изготовлять, сначала, в виде спирали, а затем в форме биспирали (спирали, навитой из спирали) и триспирали. Электрическая лампа накаливания, наконец, приобрела вид, какой мы привыкли ее видеть.

И это мы поговорили только про типы лампочек, получившие развитие. Вероятно, искать однозначный ответ на вопрос «Кто изобрел электрическую лампочку» бессмысленно. Многие изобретатели приложили к этому свой ум, знания, труд и талант. И это касается только типов лампочек получивших развитие на начальном этапе внедрения электрического освещения: дуговых и накаливания.

National Physics №2

National Physics

Жидкий азот, сухой лед, роторные испарители и другие вещи, делающие кухню молекулярной Из всех ресторанных искусств для нас важнейшим является искусство молекулярной готовки. По крайней мере если судить по рейтингам. В 2002 году лучшим рестораном мира впервые был назвал ресторан молекулярной кухни (elBulli каталонца Феррана Адриа), и с тех пор в главном отраслевом рейтинге — The S.Pellegrino World’s 50 Best Restaurants — первое место почти всегда занимал молекулярщик. Чаще всего — сам Адриа, единожды — его главный соперник Хестон Блюменталь, а в этом году — его ученик, шеф-повар датского ресторана Noma. Большинство последующих позиций тоже оккупированы молекулярщиками. В общем, по состоянию на 2010 год молекулярная кухня стала самым что ни на есть ресторанным мейнстримом, разбираться в котором теперь должен каждый, кто вообще неравнодушен к походам в рестораны. Разбираются между тем немногие, а неподготовленные, попав в молекулярный ресторан, нередко оказываются разочарованы. Здесь непривычно выглядит и сама еда, и то, как ее подают, и порядок блюд (сеты из 15 или даже 30 позиций). В результате гости часто не понимают, что сделали с их едой, а главное — зачем. Молекулярная готовка — это дорогое удовольствие, и глупо тратить деньги вслепую. Forbes составил список из десяти фактов, терминов и важных имен, которые имеет смысл узнать перед осмысленным походом в ресторан.

National Physics №2

Николас Курти. Именно этот британский физикядерщик стал вдохновителем молекулярной кухни. Во время Второй мировой он участвовал в разработке ядерной бомбы, а в начале 1990-х, будучи уже совсем пожилым человеком, возглавил в итальянском городе Эрик любительский семинар «Молекулярная и физическая гастрономия», где энтузиасты разбирали физику и химию еды. Курти всю жизнь увлекался кулинарией и в 1969 году даже прочитал в Оксфорде лекцию «Физик на кухне». Идейным же организатором того семинара стала Элизабет Томас — дама, которая сама была профессиональным поваром, но вышла замуж за ученого-физика и таким образом оказалась естественным проводником между ресторанным миром и миром науки. Защитники молекулярной кухни любят вспоминать ее, доказывая, что вся эта новая кухня — просто развитие кулинарии на новом технологическом витке и придумали ее повара, а не ученые. В целом, несмотря на звонкий термин «молекулярная», который вставили в название семинара почти случайно, занимались на нем вполне традиционными вопросами, которые интересуют поваров как минимум последние два века: как правильно жарить мясо, как именно коагулируют молекулы белка при готовке омлета и т. д. Один из первых заслушанных докладов назывался «Фрактальная структура ромовой бабы». Именно эти ежегодные семинары подхлестнули интерес профессиональных поваров к научным проблемам и заставили по-иному взглянуть на то, что происходит в кастрюлях и сковородках. Двое постоянных посетителей семинара — англичанин Хестон Блюменталь и испанец Ферран Адриа — начали активно использовать наработки Курти в своих ресторанах: Fat Duck и elBulli соответственно. В результате термин «молекулярная кухня» прогремел на весь мир. Настолько, что в 2006-м Хестон Блюменталь, Ферран Адриа и их американский коллега Томас Келлер напечатали в The Observer манифест «Новой кухни», в котором отреклись от термина «молекулярная», посчитав его вводящим в заблуждение. «Мы используем все технические новинки, от жидкого азота и центрифуг до ферментов и заменителей сахара, но наша кухня характеризуется не этим, — говорилось в манифесте, — а желанием создавать все более совершенные блюда. Химики столетиями помогали поварам, а термин «молекулярная кухня» на самом деле ничего не объясняет». И тем не менее термин прижился.

Жидкий азот

Ещё в 1877 году англичанка Аньес Маршал догадалась готовить при помощи жидкого азота мороженое – а сегодня молекулярные повара замораживают им самые разные продукты, не оставляя на них каких-либо следов такого вмешательства. Это позволяет «творить» чудеса кулинарии прямо на тарелке ожидающего посетителя. Одно из фирменных блюд Блюменталя – «Мусс из зеленого чая и лайма в жидком азоте». Выдавливая ароматный мусс из баллончика, повар сразу поливает его жидким азотом – а затем посыпает дымящийся миниатюрный шар мороженого японским порошковым чаем и спрыскивает эссенцией, приготовленной из плодов, листьев и цветов лайма.

Пена

Блюда в виде пены (их называют эспумами) стали классической визитной карточкой молекулярных ресторанов и наиболее удачно характеризуют их подход: это сложным образом полученная ароматнейшая эссенция, не отягощенная излишними жирами и вообще ничем лишним. Это вкус в чистом виде. Пенки первым ввел в меню своих ресторанов Ферран Адриа, по легенде, вдохновившись пеной на дне стакана со свежевыжатым соком, который он выпил в каком-то барселонском баре. Молекулярную пену можно взбить из чего угодно — вплоть до мяса, фруктов и орехов. К примеру, классическое блюдо, с которым Комм прогремел на гастрономическом саммите в Сан-Себастьяне, — бородинский хлеб с солью и подсолнечным маслом в виде нежнейшего мусса, который подается на ложке. Текстура мусса почти неосязаемая, во рту остается только ярчайший и моментально узнаваемый вкус ломтя хлеба, политого маслом. Несмотря на свою эфемерность, эспумы — это кардинальный пересмотр основ классической французской кухни, сформулированных Эскофье и Каремом. Соусы — это основа традиции, утверждал Карем. А эспумы — это и есть соус нового типа, лишенный тяжести, жирности и плотности: вкус в невесомости

Центрифуга

Такой же важный агрегат на молекулярной кухне, как и сковорода. Центрифуга разделяет сыпучие тела и жидкости различного удельного веса при помощи центробежной силы. Центрифуги активно применяют в химических лабораториях и довольно широко — в сельском хозяйстве: для отделения жира от молока, меда от сот и т. д. Если поместить в центрифугу, например, пузырек с томатным соком, то на выходе получится три субстанции. Внизу будет плотный красный осадок, состоящий из целлюлозы, пектина и тяжелых пигментов, в том числе красящих, — фактически томатная паста, полученная естественным образом, без нагревания. Сам сок, лишенный этих частиц, будет бледно-желтым — это раствор сахаров, солей, кислот и ароматических соединений. Наверху же окажется тонкая пенка из жиров — концентрированный томатный вкус. Каждую из этих субстанций можно использовать при готовке, получая более ароматные, тонкие и легкие соусы и составные части блюд. Отделение жиров делает соусы и пены более стабильными, у них оказывается более четкий вкус и богатый аромат.

National Physics №2

Sous-vide

Вакуумное нагревание или «sous-vide» - инновационный метод, изобретённый в 19 веке британским физиком графом Рамфордом и воплощённым в жизнь поваром Жоржем Пралюсом. Продукты закатываются в вакуумные пакеты и готовятся на водяной бане в течении длительного времени – порой более 72 часов, но при температуре всего 60 градусов и даже ниже. Приготовленное таким образом мясо идеально маринуется и получается мягким, сочным и ароматным. Клетки овощей и фруктов при этом сжимаются, становясь более плотными, даря плодам яркий и насыщенный вкус.

Трансглютаминаза

Это семейство ферментов, которые позволяют «склеивать» мускульные ткани — то есть объединять в одну массу куски протеина, скажем мяса или рыбы. Именно с помощью трансглютаминазы в пищевой промышленности изготавливают фальшивые креветки и крабовые палочки из сурими — перемолотой и отжатой рыбной массы. Она используется при приготовлении японской гречневой лапши соба, а кроме того, эти же ферменты участвуют в процессе свертывания крови. Впервые трансглютаминазу выделили и изучили в Японии в 1959-м, а сейчас ее используют не только для производства крабовых палочек, но и в молекулярных ресторанах. Несмотря на дикую с точки зрения традиционалиста кредитную историю и малоприятное название, от трансглютаминазы нет никакого вреда. Это всего лишь катализатор, не участвующий в самом процессе готовки, и это не химия — трансглютаминазу получают при помощи ферментации живых клеток. Еда же, важную роль в которой играют ферменты, человечеству известна давно — взять хотя бы соевый соус и мисо суп. Главным популяризатором трансглютаминазы был Хестон Блюменталь, рекламировавший ее коллегам как идеальный «мясной клей» без побочных эффектов. Сам Блюменталь делал с ее помощью авангардный бутерброд с рыбой, где использовал идеально выглядящий кусок макрели, который на самом деле был слепленным в форме рыбы и скрепленным трансглютаминазой филе макрели, сделанным по технологии сурими.

Сухой лед

Сухой лед — гораздо более доступная вещь, чем жидкий азот; ее вполне может купить даже обычный кулинарлюбитель. И, например, сделать с его помощью выдающееся мороженое. Обычные домашние мороженицы неидеально (потому что недостаточно быстро) замораживают молочную смесь, из которой готовится мороженое, в результате в ней появляются достаточно большие кристаллы льда. При помощи сухого льда заморозка происходит очень быстро, и текстура получается идеально гладкой. Сухой лед — это замороженный углекислый газ, который, нагреваясь, переходит из твердого состояния сразу в газообразное: эффект, который с незапамятных времен используют устроители рок-концертов. Если надышаться этого жидкого дыма, можно заработать очень неприятный кашель. Таким образом организм сигнализирует нам об опасности. Но именно это ощущение делает газировку газированной, а игристое вино игристым: пузырьки в шампанском наполнены концентрированным углекислым газом, и покалывание на языке, которое мы ощущаем — это слабая версия все того же сигнала опасности. Дым от сухого льда обостряет не только вкус, а и все наши чувства разом. Именно этот эффект активно используют в молекулярных ресторанах: если полить блок сухого льда специально приготовленной ароматической субстанцией, смешанной с водой, можно окружить едока ароматом, способным сильно изменить вкус и ощущение от еды. Так поступает Блюменталь, подавая свой «Горящий щербет»: гостя окутывает туманом с запахом потертой кожи, горящего очага и старого загородного дома.

Роторный испаритель

Это традиционное оборудование из химической лаборатории для очень бережного испарения жидкостей. В стеклянной фляге понижается давление, в результате чего вода начинает кипеть при очень низкой температуре — не 100, а, например, всего 20 градусов. При этом фляга вращается, образуя тонкую пленку жидкости на всей внутренней поверхности, что ускоряет испарение. Получающийся пар конденсируется в змеевике — получается драгоценный концентрат. Вся эта машинерия нужна для того, чтобы уловить деликатные ароматы самых разных блюд и жидкостей, содержащих летучие эфирные масла. Так, если поместить в роторный испаритель воду и свежий розмарин, на выходе будет розмариновый концентрат, который невозможно получить методом традиционного выпаривания (высокая температура изменила бы аромат розмарина). Полученные таким образом эссенции потом, в частности, используются в сферах и гелях.

Гели и сферы

Исследования в области субстанций, которые могут превратить еду в гель, с начала века активно вели компании, занимающиеся массовым производством пищевых продуктов. Помимо всем известного желатина, в 1950-е были открыты альгинаты — соли альгиновой кислоты, вязкого резиноподобного вещества, получающегося натуральным путем из бурых водорослей. Но если пищевые гиганты использовали альгинаты для производства дешевых желе, Адриа разработал систему, которую он назвал «сферификацией»: он делал гелевые сферы разного размера, наполненные съедобными субстанциями, которые буквально взрывались во рту фейерверком концентрированного вкуса. Бывшего советского человека этими сферами не удивить: многие помнят искусственную черную и красную икру, разработанную советскими технологами, — она делалась примерно по той же схеме. Разница лишь в том, что в молекулярных ресторанах эти сферы используются как трюк, а наполняют их драгоценными концентратами, на которые зачастую уходят десятки килограммов продуктов. Различные гелеобразные субстанции используются и для приготовления необычных желе, и для игры с горячим и холодным: «Горячий и холодный чай» Хестона Блюменталя сделан так, что сперва гость пьет холодный чай, а где-то с середины чай внезапно становится горячим. Разумеется, это не жидкости — они бы перемешались по законам диффузии, — а два геля разной плотности, визуально и на вкус неотличимые от обычного черного чая.

Ностальгия

Несмотря на современное кухонное оборудование и методы, позаимствованные у научных лабораторий, авторы молекулярной кухни играют не столько в Филиппа К. Дика или Станислава Лема, сколько в Марселя Пруста. Главный их принцип — деконструировать давно знакомую еду и подать ее в необычном виде, вызвав у гостя глупую улыбку. Именно с этими целями Комм разбирает на молекулы и подает в виде пены, геля и мусса салат оливье и селедку под шубой, Блюменталь нежно воскрешает вкус дешевой английской газировки из 1970-х, Адриа деконструирует тортилью, а китаец Алвин Ланг из шанхайского ресторана Bo Innovation — дим-самы. Не случайно многие молекулярщики, оперируя техникой будущего, устремляются все дальше в прошлое: Блюменталь реконструирует придворную британскую еду XVI века, а Грант Экитц собирается открыть ресторан с тематическими ужинами — Шанхай 1930-го, Мексика 1625-го или Франция 1856-го. И это совершенно прустовское желание остановить или воскресить утраченное время — пусть даже в виде леденца из детства, сделанного из вытяжки розмарина, угря и лаванды. Это и есть главное содержание любого молекулярного ресторана.

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

Теория струн — направление теоретической физики, изучающее динамику и взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов, так называемых квантовых струн. Теория струн сочетает в себе идеи квантовой механики и теории относительности, поэтому на её основе, возможно, будет построена будущая теория квантовой гравитаци. Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10-35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени. Квантовая теория струн возникла в начале 1970-х годов в результате осмысления формул Габриэле Венециано, связанных со струнными моделями строения адронов. Середина 1980-х и середина 1990-х ознаменовались бурным развитием теории струн, ожидалось, что в ближайшее время на основе теории струн будет сформулирована так называемая «единая теория», или «теория всего», поискам которой Эйнштейн безуспешно посвятил десятилетия. Но, несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн. Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего рода экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий. Одна из основных проблем при попытке описать процедуру редукции струнных теорий из-за размерности 26 или 10 в низкоэнергетическую физику размерности 4 заключается в большом количестве вариантов компактификаций дополнительных измерений намногообразия Калаби — Яу и на орбифолды, которые, вероятно, являются частными предельными случаями пространств Калаби — Яу. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием «проблема ландшафта», заключающаяся в том, что фундаментальные физические константы имеют определённые значения потому, что при таких значениях возможна жизнь и учёные могут их измерить. В связи с этим, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса. Несмотря на эти трудности, разработка теории струн стимулировала развитие математических формализмов, в основном — алгебраической идифференциальной геометрии, топологии, а также позволила глубже понять структуру предшествующих ей теорий квантовой гравитации. Развитие теории струн продолжается, и есть надежда, что недостающие элементы струнных теорий и соответствующие феномены будут найдены в ближайшем будущем, в том числе в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере.

National Physics №2

Основные положения

Уровни строения мира: 1. Макроскопический уровень — вещество 2. Молекулярный уровень 3. Атомный уровень — протоны, нейтроны и электроны 4. Субатомный уровень — электрон 5. Субатомный уровень — кварки 6. Струнный уровень

Если бы существовал явный механизм экстраполяции струн в низкоэнергетическую физику, то теория струн представила бы нам все фундаментальные частицы и их взаимодействия в виде ограничений на спектры возбуждений нелокальных одномерных объектов. Характерные размеры компактифицированных струн чрезвычайно малы, порядка 10 -33 см (порядка планковской длины), поэтому они недоступны наблюдению в эксперименте. Аналогично колебаниям струн музыкальных инструментов спектральные составляющие струн возможны только для определённых частот (квантовых амплитуд). Чем больше частота, тем больше энергия, накопленная в таком колебании, и, в соответствии с формулой E=mc2, тем больше масса частицы, в роли которой проявляет себя колеблющаяся струна в наблюдаемом мире. Непротиворечивые и самосогласованные квантовые теории струн возможны лишь в пространствах высшей размерности (больше четырёх, учитывая размерность, связанную со временем). В связи с этим в струнной физике открыт вопрос о размерности пространства-времени. То, что в макроскопическом (непосредственно наблюдаемом) мире дополнительные пространственные измерения не наблюдаются, объясняется в струнных теориях одним из двух возможных механизмов: компактификация этих измерений — скручивание до размеров порядка планковской длины, или локализация всех частиц многомерной вселенной (мультивселенной) на четырёхмерном мировом листе, который и являет собой наблюдаемую часть мультивселенной. Предполагается, что высшие размерности могут проявляться во взаимодействиях элементарных частиц при высоких энергиях, однако до сих пор экспериментальные указания на такие проявления отсутствуют. При построении теории струн различают подход первичного и вторичного квантования. Последний оперирует понятием струнного поля - функционала на пространстве петель, подобно квантовой теории поля. В формализме первичного квантования математическими методами описывается движение пробной струны во внешних струнных полях, при этом не исключается взаимодействие между струнами, в том числе распад и объединение струн. Подход первичного квантования связывает теорию струн с обычной теорией поля на мировой поверхности.

Наиболее реалистичные теории струн в качестве обязательного элемента включают суперсимметрию, поэтому такие теории называются суперструнными. Набор частиц и взаимодействий между ними, наблюдающийся при относительно низких энергиях, практически воспроизводит структуру стандартной модели в физике элементарных частиц, причём многие свойства стандартной модели получают изящное объяснение в рамках суперструнных теорий. Тем не менее до сих пор нет принципов, с помощью которых можно было бы объяснить те или иные ограничения струнных теорий, чтобы получить некое подобие стандартной модели. В середине 1980-х годов Майкл Грин и Джон Шварц пришли к выводу, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а двумя способами: первый — это суперсимметрия мировой поверхности струны, второй — пространственно-временная суперсимметрия. В своей основе данные способы введения суперсимметрии связывают методы конформной теории поля со стандартными методами квантовой теории поля. Технические особенности реализации данных способов введения суперсимметрии обусловили возникновение пяти различных теорий суперструн — типа I, типов IIA и IIB, и двух гетеротических струнных теорий. Возникший в результате этого всплеск интереса к теории струн был назван «первой суперструнной революцией». Все эти модели формулируются в 10-мерном пространстве-времени, однако различаются струнными спектрами и калибровочными группами симметрии. Заложенная в 1970-х и развитая в 1980-х годах конструкция 11-мерной супергравитации, а также необычные топологические двойственности фазовых переменных в теории струн в середине 1990-х привели ко «второй суперструнной революции». Выяснилось, что все эти теории, на самом деле, тесно связаны друг с другом благодаря определённым дуальностям. Было высказано предположение, что все пять теорий являются различными предельными случаями единой фундаментальной теории, получившей название М-теории. В настоящее время ведутся поиски адекватного математического языка для формулировки этой теории.

Среди многих свойств теории струн особенно важны три нижеследующих: 1. Гравитация и квантовая механика являются неотъемлемыми принципами устройства Вселенной, и поэтому любой проект единой теории обязан включать и то, и другое. В теории струн это реализуется. 2. Исследования на протяжении XX века показали, что существуют и другие ключевые концепции, — многие из которых были проверены экспериментально, — являющиеся центральными для нашего понимания Вселенной. В их числе — спин, существование поколений частиц материи и частиц-переносчиков взаимодействия, калибровочная симметрия, принцип эквивалентности, нарушение симметрии и суперсимметрия. Всё это естественным образом вытекает из теории струн. 3. В отличие от более общепринятых теорий, таких, как стандартная модель с её 19 свободными параметрами, которые могут подгоняться для обеспечения согласия с экспериментом, в теории струн свободных параметров нет.

National Physics №2

История Струны в адронной физике Леонард Сасскинд

американский физик-теоретик, один из создателей теории струн, преподающий сейчас в Стэнфордском университете.

Струны как фундаментальные объекты были первоначально введены в физику элементарных частиц для объяснения особенностей строения адронов, в частности пионов. В 1960-х годах была обнаружена зависимость между спином адрона и его массой (график Чу — Фраучи). Это наблюдение привело к созданию теории Редже, в которой разные адроны рассматривались не как элементарные частицы, а как различные проявления единого протяжённого объекта — реджеона. В последующие годы усилиями Габриэле Венециано, Ёитиро Намбу, Холгера Бех Нильсена и Леонарда Сасскинда была выведена формула для рассеяния реджеонов и была дана струнная интерпретация протекающих при этом явлений. В 1968 году Габриэле Венециано и Махико Судзуки при попытке анализа процесса столкновений пи-мезонов (пионов) обнаружили, что амплитуда парного рассеивания высокоэнергетических пионов весьма точно описывается одной из бета-функций, введённых Леонардом Эйлером в 1730 году. Позже было установлено, что амплитуда парного пионного рассеивания может быть разложена в бесконечный ряд, начало которого совпадает с формулой Венециано — Судзуки. В 1970 году Ёитиро Намбу, Тэцуо Гото, Холгер Бех Нильсен и Леонард Сасскинд выдвинули идею, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает вследствие того, что эти пионы соединяет «бесконечно тонкая колеблющаяся нить». Полагая, что эта «нить» подчиняется законам квантовой механики, они вывели формулу, совпадающую с формулой Венециано — Судзуки. Таким образом, появились модели, в которых элементарные частицы представляются в виде одномерных струн, которые вибрируют на определённых нотах (частотах). С наступлением эры квантовой хромодинамики научное сообщество утратило интерес к теории струн в адронной физике вплоть до 80-х гг. XX в.

Бозонная теория струн К 1974 году стало ясно, что струнные теории, основанные на формулах Венециано, реализуются в размерности пространства большей, чем 4: модель Венециано и модель Шапиро — Вирасоро (S-V) в размерности 26, а модель Рамона — Невьё — Шварца (R-NS) в 10, и все они предсказывают тахионы. Скорость тахионов превышает скорость света в вакууме, а потому их существование противоречит принципу причинности, который, в свою очередь нарушается в микромире. Таким образом, не имеется никаких убедительных (в первую очередь, экспериментальных) доказательств существования тахиона, равно как и логически неуязвимых опровержений. На данный момент считается более предпочтительным не использовать идею тахионов при построении физических теорий. Решение проблемы тахионов основано на работах по пространственно-временной глобальной (не зависящей от координат) суперсимметрии Весса и Зумино (1974 год). В 1977 году Глиоцци, Шерк и Олив (GSO проекция) ввели в модель R-NS специальную проекцию для струнных переменных, которая позволила устранить тахион и по существу давала суперсимметричную струну. В 1981 году Грину и Шварцу удалось описать GSO проекцию в терминах D-мерной суперсимметрии и чуть позже ввести принцип устранения аномалий в теориях струн. В 1974 году Джон Шварц и Жоэль Шерк, а также независимо от них Тамиаки Ёнэя, изучая свойства некоторых струнных вибраций, обнаружили, что они в точности соответствуют свойствам гипотетической частицы - кванта гравитационного поля, которая называется гравитон. Шварц и Шерк утверждали, что теория струн первоначально потерпела неудачу потому, что физики недооценили её масштаб. На основе данной модели была создана теория бозонных струн, которая по-прежнему остаётся первым вариантом теории струн, который преподают студентам. Эта теория формулируется в терминах действия Полякова, с помощью которого можно предсказывать движение струны в пространстве и времени. Процедура квантования действия Полякова приводит к тому, что струна может вибрировать различными способами и каждый способ её вибрации генерирует отдельную элементарную частицу. Масса частицы и характеристики её взаимодействия определяются способом вибрации струны, или своеобразной «нотой», которая извлекается из струны. Получающаяся таким образом гамма называется спектром масс теории струн. Первоначальные модели включали как открытые струны, то есть нити, имеющие два свободных конца, так и замкнутые, то есть петли. Эти два типа струн ведут себя по-разному и генерируют два различных спектра. Не все современные теории струн используют оба типа, некоторые обходятся только замкнутыми струнами. Теория бозонных струн не лишена проблем. Прежде всего, теория обладает фундаментальной нестабильностью, которая предполагает распад самого пространства-времени. Кроме того, как следует из её названия, спектр частиц ограничивается только бозонами. Несмотря на то, что бозоны представляют собой важный ингредиент мироздания, Вселенная состоит не только из них. Исследования того, каким образом можно включить в спектр теории струн фермионы, привело к понятию суперсимметрии — теории взаимосвязи бозонов и фермионов, которая теперь имеет самостоятельное значение. Теории, включающие в себя фермионные вибрации струн, называются суперструнными теориями.

National Physics №2

Суперструнные революции

Эдвард Виттен один из лидеров исследований М-теории

В 1984—1986 гг. физики поняли, что теория струн могла бы описать все элементарные частицы и взаимодействия между ними, и сотни учёных начали работу над теорией струн как наиболее перспективной идеей объединения физических теорий. Начало этой первой суперструнной революции положило открытие в 1984 году Майклом Грином и Джоном Шварцем явления сокращения аномалий в теории струн типа I. Механизм этого сокращения носит название механизма Грина — Шварца. Другие значительные открытия, например, открытие гетеротической струны, были сделаны в 1985 г. В середине 1990-х Эдвард Виттен, Джозеф Полчински и другие физики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи не разработанной пока 11-мерной М-теории. Это открытие ознаменовало собой вторую суперструнную революцию. Последние исследования теории струн (точнее, М-теории) затрагивают D-браны, многомерные объекты, существование которых вытекает из включения в теорию открытых струн. В 1997 году Хуан Малдасена обнаружил взаимосвязь между теорией струн и калибровочной теорией, которая называется N=4 суперсимметричная теория Янга — Миллса. Эта взаимосвязь, которая называется AdS/CFT-соответствием (сокращение терминов anti de Sitter space — пространство антиде-Ситтера, и conformal field theory — конформная теория поля), привлекла большой интерес струнного сообщества и сейчас активно изучается. AdS/CFT-соответствие является конкретной реализацией голографического принципа, который имеет далеко идущие следствия в отношении чёрных дыр, локальности и информации в физике, а также природы гравитационного взаимодействия.

Хуан Малдасена 56

В 2003 году открытие ландшафта теории струн, означающего существование в теории струн экспоненциально большого числа неэквивалентных ложных вакуумов, дало начало дискуссии о том, что в итоге может предсказать теория струн и каким образом может измениться струнная космология

Классификация струнных теорий Тип струнной Число Краткое описание теории теории простр.врем. измерений Бозонная 26 Только бозоны, нет фермионов. Таким образом, есть лишь силы и нет материи. Струны как открытые, так и замкнутые. Важный недостаток - возможно существование частицы с мнимой массой (отрицательным квадратом массы) - тахиона. I 10 Суперсимметрия между силами и материей, с как открытыми, так и замкнутыми струнами. Без тахиона. Симметрия SO(32). II A 10 Суперсимметрия между силами и материей, струны только замкнутые. Без тахиона. Безмассовые фермионы могут вращаться в обоих направлениях (нехиральная теория). II B 10 Суперсимметрия между силами и материей, струны только замкнутые. Без тахиона. Безмассовые фермионы могут вращаться только в одном направлении (хиральная теория). HO 10 Суперсимметрия между силами и материей, струны только замкнутые. Без тахиона. Гетеротическая (heterotic), что означает, что правые (праводвижущиеся) и левые (леводвижущиеся) струны различаются. Симметрия SO(32). HE 10 Суперсимметрия между силами и материей, струны только замкнутые. Без тахиона. Гетеротическая (heterotic), что означает, что правые (праводвижущиеся) и левые (леводвижущиеся) струны различаются. Симметрия E8 x E8. Несмотря на то, что понимание деталей суперструнных теорий требует серьёзной математической подготовки, некоторые качественные свойства квантовых струн можно понять на интуитивном уровне. Так, квантовые струны, как и обычные струны, обладают упругостью, которая считается фундаментальным параметром теории. Упругость квантовой струны тесно связана с её размером. Рассмотрим замкнутую струну, к которой не приложены никакие силы. Упругость струны будет стремиться стянуть её в более мелкую петлю вплоть до размера точки. Однако это нарушило бы один из фундаментальных принципов квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга. Характерный размер струнной петли получится в результате балансирования между силой упругости, сокращающей струну, и эффектом неопределённости, растягивающим струну. Благодаря протяжённости струны решается проблема ультрафиолетовых расходимостей в квантовой теории поля, и, следовательно, вся процедура регуляризации и перенормировки перестаёт быть математическим трюком и обретает физический смысл. Действительно, в квантовой теории поля бесконечные значения амплитуд взаимодействия возникают в результате того, что две частицы могут сколь угодно близко подойти друг к другу. В теории струн это уже невозможно: слишком близко расположенные струны сливаются в струну.

National Physics №2

Дуальности В середине 1980-х было установлено, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, может быть включена в неё не одним, а пятью различными способами, что приводит к пяти различным теориям: типа I, типов IIA и IIB, и две гетеротические струнные теории. Можно предположить, что только одна из них могла претендовать на роль «теории всего», причём та, которая при низких энергиях и компактифицированных шести дополнительных измерениях согласовывалась бы с реальными наблюдениями. Оставались открытыми вопросы о том, какая именно теория более адекватна и что делать с остальными четырьмя теориями. В ходе второй суперструнной революции было показано, что такое представление неверно: все пять суперструнных теорий тесно связаны друг с другом, являясь различными предельными случаями единой 11-мерной фундаментальной теории (М-теория). Все пять суперструнных теорий связаны друг с другом преобразованиями, называемыми дуальностями. Если две теории связаны между собой преобразованием дуальности (дуальным преобразованием), это означает, что каждое явление и качество из одной теории в каком-нибудь предельном случае имеет свой аналог в другой теории, а также имеется некий своеобразный «словарь» перевода из одной теории в другую. То есть дуальности связывают и величины, которые считались различными или даже взаимоисключающими. Большие и малые масштабы, сильные и слабые константы связи — эти величины всегда считались совершенно чёткими пределами поведения физических систем как в классической теории поля, так и в квантовой. Струны, тем не менее, могут устранять различия между большим и малым, сильным и слабым.

Т-дуальность Т-дуальность связана с симметрией в теории струн, применимой к струнным теориям типа IIA и IIB и двум гетеротическим струнным теориям. Преобразования Т-дуальности действуют в пространствах, в которых по крайней мере одна область имеет топологию окружности. При таком преобразовании радиус R этой области меняется на 1/R, и «намотанные» состояния струн меняются на высокоимпульсные струнные состояния в дуальной теории. Таким образом, меняя импульсные моды и винтовые моды струны, можно переключаться между крупным и мелким масштабом. Другими словами связь теории типа IIA с теорией типа IIB означает, что их можно компактифицировать на окружность, а затем, поменяв винтовые и импульсные моды, а значит, и масштабы, можно увидеть, что теории поменялись местами. То же самое верно и для двух гетеротических теорий.

S-дуальность S-дуальность (сильно-слабая дуальность) - эквивалентность двух квантовых теорий поля, теории струн и M-теории. Преобразование S-дуальности заменяет физические состояния ивакуум с константой связи g одной теории на физические состояния и вакуум с константой связи 1 / g другой, дуальной первой теории. Благодаря этому оказывается возможным использовать теорию возмущений, которая справедлива для теорий с константой связи g много меньшей 1, по отношению к дуальным теориям с константой связи g много большей 1. Суперструнные теории связаны S-дуальностью следующим образом: суперструнная теория типа I S-дуальна гетеротической SO(32) теории, а теория типа IIB S-дуальна самой себе.

U-дуальность Существует также симметрия, связывающая преобразования S-дуальности и T-дуальности. Она называется U-дуальностью и наиболее часто встречается в контексте так называемых U-дуальных групп симметрии в М-теории, определённых на конкретных топологических пространствах. U-дуальность представляет собой объединение в этих пространствах S-дуальности и T-дуальности, которые, как можно показать на D-бране, не коммутируют друг с другом.

Дополнительные измерения Интригующим предсказанием теории струн является многомерность Вселенной. Ни теория Максвелла, ни теории Эйнштейна не дают такого предсказания, поскольку предполагают число измерений заданным (в теории относительности их четыре). Первым, кто добавил пятое измерение к эйнштейновским четырём, оказался немецкий математик Теодор Калуца (1919 год). Обоснование ненаблюдаемости пятого измерения (его компактности) было предложено шведским физиком Оскаром Клейном в 1926 году. Требование согласованности теории струн с релятивистской инвариантностью (лоренц-инвариантностью) налагает жёсткие требования на размерность пространства-времени, в котором она формулируется. Теория бозонных струн может быть построена только в 26-мерном пространстве-времени, а суперструнные теории — в 10-мерном. Поскольку мы, согласно специальной теории относительности, существуем в четырёхмерном пространстве-времени, необходимо объяснить, почему остальные дополнительные измерения оказываются ненаблюдаемыми. В распоряжении теории струн имеется два таких механизма.

Компактификация Первый из них заключается в компактификации дополнительных 6 или 7 измерений, то есть замыкание их на себя на таких малых расстояниях, что они не могут быть обнаружены в экспериментах. Шестимерное разложение моделей достигается с помощью пространств Калаби — Яу. Классическая аналогия, используемая при рассмотрении многомерного пространства, — садовый шланг. Если наблюдать шланг с достаточно далёкого расстояния, будет казаться, что он имеет только одно измерение — длину. Но если приблизиться к нему, обнаруживается его второе измерение — окружность. Истинное движение муравья, ползающего по поверхности шланга, двумерно, однако издалека оно нам будет казаться одномерным. Дополнительное измерение доступно наблюдению только с относительно близкого расстояния, поэтому и дополнительные измерения пространства Калаби — Яу доступны наблюдению только с чрезвычайно близкого расстояния, то есть практически не обнаруживаемы.

Проекция 6-мерного пространства Калаби — Яу, полученная с помощью Mathematica

National Physics №2

Локализация Другой вариант — локализация — состоит в том, что дополнительные измерения не столь малы, однако в силу ряда причин все частицы нашего мира локализованы на четырёхмерном листе в многомерной вселенной (мультивселенной) и не могут его покинуть. Этот четырёхмерный лист (брана) и есть наблюдаемая часть мультивселенной. Поскольку мы, как и вся наша техника, состоим из обычных частиц, то мы в принципе неспособны взглянуть вовне. Единственная возможность обнаружить присутствие дополнительных измерений — гравитация. Гравитация, будучи результатом искривления пространства-времени, не локализована на бране, и потому гравитоны и микроскопические чёрные дыры могут выходить вовне. В наблюдаемом мире такой процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами.

Проблема Возможность критического эксперимента Теория струн нуждается в экспериментальной проверке, однако ни один из вариантов теории не даёт однозначных предсказаний, которые можно было бы проверить в критическом эксперименте. Таким образом, теория струн находится пока в «зачаточной стадии»: она обладает множеством привлекательных математических особенностей и может стать чрезвычайно важной в понимании устройства Вселенной, но требуется дальнейшая разработка для того, чтобы принять её или отвергнуть. Поскольку теорию струн, скорее всего, нельзя будет проверить в обозримом будущем в силу технологических ограничений, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли данная теория статуса научной, поскольку, по их мнению, она не является фальсифицируемой в попперовском смысле. Разумеется, это само по себе не является основанием считать теорию струн неверной. Часто новые теоретические конструкции проходят стадию неопределённости, прежде чем, на основании сопоставления с результатами экспериментов, признаются или отвергаются. Поэтому и в случае теории струн требуется либо развитие самой теории, то есть методов расчёта и получения выводов, либо развитие экспериментальной науки для исследования ранее недоступных величин.

Фальсифицируемость и проблема ландшафта В 2003 году выяснилось, что существует множество способов свести 10-мерные суперструнные теории к 4-мерной эффективной теории поля. Сама теория струн не давала критерия, с помощью которого можно было бы определить, какой из возможных путей редукции предпочтителен. Каждый из вариантов редукции 10-мерной теории порождает свой 4-мерный мир, который может напоминать, а может и отличаться от наблюдаемого мира. Всю совокупность возможных реализаций низкоэнергетического мира из исходной суперструнной теории называют ландшафтом теории. Оказывается, количество таких вариантов поистине огромно. Считается, что их число составляет как минимум 10100, вероятнее — около 10500; не исключено, что их вообще бесконечное число. В течение 2005 года неоднократно высказывались предположения, что прогресс в этом направлении может быть связан с включением в эту картину антропного принципа: человек существует именно в такой Вселенной, в которой его существование возможно.

Вычислительные проблемы С математической точки зрения ещё одна проблема состоит в том, что, как и квантовая теория поля, большая часть теории струн всё ещё формулируется пертурбативно (в терминахтеории возмущений). Несмотря на то, что непертурбативные методы достигли за последнее время значительного прогресса, полной непертурбативной формулировки теории до сих пор нет. 60

Проблема масштаба «зернистости» пространства В результате экспериментов по обнаружению «зернистости» (степени квантования) пространства, которые состояли в измерении степени поляризации гамма-излучения, приходящего от далёких мощных источников, выяснилось, что в излучении гамма-всплеска GRB041219A, источник которого находится на расстоянии 300 млн световых лет, зернистость пространства не проявляется вплоть до размеров 10-48 м, что в 1014 раз меньше планковской длины. Данный результат, по всей видимости, заставит пересмотреть внешние параметры струнных теорий.

Текущие исследования Изучение свойств чёрных дыр

В 1996 г. струнные теоретики Эндрю Строминджер и Кумрун Вафа, опираясь на более ранние результаты Сасскинда и Сена, опубликовали работу «Микроскопическая природа энтропии Бекенштейна и Хокинга». В этой работе Строминджеру и Вафе удалось использовать теорию струн для нахождения микроскопических компонентов определённого класса чёрных дыр, а также для точного вычисления вкладов этих компонентов в энтропию. Работа была основана на применении нового метода, частично выходящего за рамки теории возмущений, которую использовали в 1980-х и в начале 1990-х гг. Результат работы в точности совпадал с предсказаниями Бекенштейна и Хокинга, сделанными более чем за двадцать лет до этого. Реальным процессам образования чёрных дыр Строминджер и Вафа противопоставили конструктивный подход. Суть в том, что они изменили точку зрения на образование чёрных дыр, показав, что их можно конструировать путём кропотливой сборки в один механизм точного набора бран, открытых во время второй суперструнной революции. Строминджер и Вафа смогли вычислить число перестановок микроскопических компонентов чёрной дыры, при которых общие наблюдаемые характеристики, например масса и заряд, остаются неизменными. Тогда энтропия этого состояния по определению равна логарифму полученного числа — числа возможных микросостояний термодинамической системы. Затем они сравнили результат с площадью горизонта событий чёрной дыры — эта площадь пропорциональна энтропии чёрной дыры, как предсказано Бекенштейном и Хокингом на основе классического понимания, — и получили идеальное согласие. По крайней мере, для класса экстремальных чёрных дыр Строминджер и Вафа нашли приложение теории струн для анализа микроскопических компонентов и точного вычисления соответствующей энтропии. Это открытие оказалось важным и убедительным аргументом в поддержку теории струн. Разработка теории струн до сих пор остаётся слишком грубой для прямого и точного сравнения с экспериментальными результатами, например, с результатами измерений масс кварков или электрона. Теория струн, тем не менее, даёт первое фундаментальное обоснование давно открытого свойства чёрных дыр, невозможность объяснения которого многие годы тормозила исследования физиков, работавших с традиционными теориями. Даже Шелдон Глэшоу, Нобелевский лауреат по физике и убеждённый противник теории струн в 1980-е гг., признался в интервью в 1997 г., что «когда струнные теоретики говорят о чёрных дырах, речь идёт едва ли не о наблюдаемых явлениях, и это впечатляет». 61

National Physics №2

Струнная космология Струнная космология - относительно новая и интенсивно развивающаяся область теоретической физики, в рамках которой осуществляются попытки использования уравнений теории струн для решения некоторых проблем, возникших в ранней космологической теории. Данный подход впервые использован в работах Габриэле Венециано, который показал, каким образом инфляционная модель Вселенной может быть получена из теории суперструн. Инфляционная космология предполагает существование некоторого скалярного поля, индуцирующего инфляционное расширение. В струнной космологии вместо этого вводится так называемое дилатонное поле, кванты которого, в отличие, например, от электромагнитного поля, не являются безмассовыми, поэтому влияние данного поля существенно лишь на расстояниях порядка размера элементарных частиц или на ранней стадии развития Вселенной. Существует три основных пункта, в которых теория струн модифицирует стандартную космологическую модель. Во-первых, в духе современных исследований, всё более проясняющих ситуацию, из теории струн следует, что Вселенная должна иметь минимально допустимый размер. Этот вывод меняет представление о структуре Вселенной непосредственно в момент Большого взрыва, для которого в стандартной модели получается нулевой размер Вселенной. Во-вторых, понятие T-дуальности, то есть дуальности малых и больших радиусов (в его тесной связи с существованием минимального размера) в теории струн, имеет значение и в космологии. В-третьих, число пространственно-временных измерений в теории струн больше четырёх, поэтому космология должна описывать эволюцию всех этих измерений. Вообще, особенность теории струн состоит в том, что в ней, по-видимому, геометрия пространства-времени не фундаментальна, а появляется в теории на больших масштабах или при слабой связи

Косвенные предсказания Несмотря на то, что арена основных действий в теории струн недоступна прямому экспериментальному изучению, ряд косвенных предсказаний теории струн всё же можно проверить в эксперименте. Во-первых, обязательным является наличие суперсимметрии. Ожидается, что запущенный 10 сентября 2008 года, но полноценно вступивший в строй в 2010 году Большой адронный коллайдер сможет открыть некоторые суперсимметричные частицы. Это будет серьёзной поддержкой теории струн. Во-вторых, в моделях с локализацией наблюдаемой вселенной в мультивселенной изменяется закон гравитации тел на малых расстояниях. В настоящее время проводится ряд экспериментов, проверяющих с высокой точностью закон всемирного тяготения на расстояниях в сотые доли миллиметра. Обнаружение отклонения от этого закона было бы ключевым аргументом в пользу суперсимметричных теорий. В-третьих, в тех же самых моделях гравитация может становиться очень сильной уже на энергетических масштабах порядка нескольких ТэВ, что делает возможной её проверку на Большом адронном коллайдере. В настоящее время идёт активное исследование процессов рождения гравитонов и микроскопических чёрных дыр в таких вариантах теории. Наконец, некоторые варианты теории струн приводят также и к наблюдательным астрофизическим предсказаниям. Суперструны (космические струны), D-струны или другие струнные объекты, растянутые до межгалактических размеров, обладают сильным гравитационным полем и могут выступать в роли гравитационных линз. Кроме того, движущиеся струны должны создавать гравитационные волны, которые, в принципе, могут быть обнаружены в экспериментах типа LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационная обсерватория, основанная в 1992 г. Массачусетским технологическим институтом и Калифорнийским технологическим институтом) и VIRGO. Они также могут создавать небольшие нерегулярности в реликтовом излучении, которые могут быть обнаружены в будущих экспериментах.

«Буран»

Космический корабль

National Physics

National Physics №2

#космос и технологии

National Physics №2

История «Буран» задумывался как военная система. Тактико-техническое задание на разработку многоразовой космической системы выдано Главным управлением космических средств Министерства обороны СССР и утверждено Д. Ф. Устиновым 8 ноября 1976 года. «Буран» предназначался для: комплексного противодействия мероприятиям вероятного противника по расширению использования космического пространства в военных целях; решения целевых задач в интересах обороны, народного хозяйства и науки; проведения военно-прикладных исследований и экспериментов в обеспечение создания больших космических систем с использованием оружия на известных и новых физических принципах; выведения на орбиты, обслуживание на них и возвращение на землю космических аппаратов, космонавтов и грузов. Программа имеет свою предысторию: «В 1972 г. Никсон объявил, что в США начинает разрабатываться программа «Space Shuttle». Она была объявлена как национальная, рассчитанная на 60 пусков челнока в год, предполагалось создать 4 таких корабля; затраты на программу планировались в 5 миллиардов 150 миллионов долларов в ценах 1971 г. Челнок выводил на околоземную орбиту 29,5 т и мог спускать с орбиты груз до 14,5 т. Это очень серьезно, и мы начали изучать, для каких целей он создается? Ведь все было очень необычно: вес, выводимый на орбиту при помощи одноразовых носителей в Америке, даже не достигал 150 т/год, а тут задумывалось в 12 раз больше; ничего с орбиты не спускалось, а тут предполагалось возвращать 820 т/год… Это была не просто программа создания какой-то космической системы под девизом снижения затрат на транспортные расходы (наши, нашего института проработки показали, что никакого снижения фактически не будет наблюдаться), она имела явное целевое военное назначение. — Директор Центрального НИИ машиностроения Ю. А. Мозжорин» Чертежи и фотографии шаттла были впервые получены в СССР по линии ГРУ в начале 1975 года. Сразу же были проведены две экспертизы на военную составляющую: в военных НИИ и в Институте проблем механики под руководством Мстислава Келдыша. Выводы: «будущий корабль многоразового использования сможет нести ядерные боеприпасы и атаковать ими территорию СССР практически из любой точки околоземного космического пространства» и «Американский шаттл грузоподъемностью 30 тонн в случае его загрузки ядерными боеголовками способен совершать полеты вне зоны радиовидимости отечественной системы предупреждения о ракетном нападении. Совершив аэродинамический манёвр, например, над Гвинейским заливом, он может выпустить их по территории СССР» — подтолкнули руководство СССР к созданию ответа — «Бурана». «И говорят, что мы будем туда летать раз в неделю, понимаете… А целей и грузов нет, и сразу возникает опасение, что они создают корабль под какие-то будущие задачи, про которые мы не знаем. Возможно применение военное? Безусловно. — Вадим Лукашевич — историк космонавтики, кандидат технических наук» 66

«И вот они это продемонстрировали на том, что над Кремлём они прошлись на «Шаттле», вот это был всплеск наших военных, политиков, и так было принято решение в одно время: отработка методики перехвата космических целей, высоких, с помощью самолётов. — Магомед Толбоев, Герой России Заслуженный летчик-испытатель РФ» К 1 декабря 1988 года был по крайней мере один секретный запуск шаттла по линии военных (номер полета по кодификации НАСА — STS-27). В Америке заявили, что система «Спейс шаттл» создавалась в рамках программы гражданской организации — НАСА. Целевая космическая группа под руководством вице-президента С. Агню в 1969—1970 годах разработала несколько вариантов перспективных программ мирного освоения космического пространства после окончания лунной программы. В 1972 году Конгресс, основываясь на экономическом анализе, поддержал проект создания многоразовых челноков взамен одноразовых ракет. Программа «Спейс шаттл» была закрыта 21 июля 2011г, в том числе и из-за нерентабельности, так как стоимость каждого полёта «Спейс шаттл» составляла от 450 до 600 млн долларов. В СССР, как и в США, многие космические программы имели либо военное назначение, либо строились на военных технологиях. Так, ракета-носитель Союз — это знаменитая королёвская «семёрка» — межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) Р-7, а ракета-носитель Протон — это МБР УР-500. По сложившимся в СССР порядкам принятия решений о ракетно-космической технике и по самим космическим программам, инициаторами разработок могли быть либо высшее партийное руководство («Лунная программа»), либо Министерство Обороны. В апреле 1973 года в ВПК с привлечением головных институтов (ЦНИИМАШ, НИИТП, ЦАГИ, 50 ЦНИИ, 30 ЦНИИ) был разработан и разослан на рассмотрение и согласование в МОМ, МАП и МО СССР и ряд других смежных министерств проект Решения ВПК по проблемам, связанным с созданием многоразовой космической системы. В правительственном Постановлении № П137/ VII от 17 мая 1973 года, помимо организационных вопросов, содержался пункт, обязывающий «министра С. А. Афанасьева и В. П. Глушко подготовить в четырёхмесячный срок предложения о плане дальнейших работ». Многоразовые космические системы имели в СССР как сильных сторонников, так и авторитетных противников. Желая окончательно определиться с МКС, ГУКОС решил выбрать авторитетного арбитра в споре военных с промышленностью, поручив головному институту Минобороны по военному космосу (ЦНИИ 50) провести научно-исследовательскую работу (НИР) по обоснованию необходимости МКС для решения задач по обороноспособности страны. Но и это не внесло ясности, так как генерал Мельников, руководивший этим институтом, решив подстраховаться, выпустил два «отчёта»: один — в пользу создания МКС, другой — против. В конце концов оба этих отчёта, обросшие многочисленными авторитетными «Согласовано» и «Утверждаю», встретились в самом неподходящем месте — на столе Д. Ф. Устинова. Раздражённый результатами «арбитража», Устинов позвонил Глушко и попросил ввести его в курс дела, представив подробную информацию по вариантам МКС, но Глушко неожиданно отправил на встречу с секретарём ЦК КПСС, кандидатом в члены Политбюро, вместо себя Генерального конструктора — своего сотрудника, и. о. начальника 162 отдела Валерия Бурдакова. Приехав в кабинет Устинова на Старой площади, Бурдаков стал отвечать на вопросы секретаря ЦК. Устинова интересовали все подробности: зачем нужна МКС, какой она может быть, что нам для этого нужно, зачем в США создают свой шаттл, чем это нам грозит. Как впоследствии вспоминал Валерий Павлович, Устинова интересовали в первую очередь военные возможности МКС, и он представил Д. Ф. Устинову своё видение использования орбитальных челноков как возможных носителей термоядерного оружия, которые могут базироваться на постоянных военных орбитальных станциях в немедленной готовности к нанесению сокрушительного удара в любой точке планеты. Перспективы МКС, представленные Бурдаковым, настолько глубоко взволновали и заинтересовали Д. Ф. Устинова, что он в кратчайший срок подготовил решение, которое было обсуждено в Политбюро, утверждено и подписано Л. И. Брежневым, а тема многоразовой космической 67

National Physics №2 системы получила максимальный приоритет среди всех космических программ в партийно-государственном руководстве и ВПК. В 1976 году головным разработчиком корабля стало специально созданное НПО «Молния». Новое объединение возглавил Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский, уже в 1960-е годы работавший над проектом многоразовой авиационно-космической системы «Спираль». Производство орбитальных кораблей осуществлялось на Тушинском машиностроительном заводе с 1980 года; к 1984 году был готов первый полномасштабный экземпляр. С завода корабли доставлялись водным транспортом (на барже под тентом) в город Жуковский, а оттуда (с аэродрома Жуковский) — воздушным транспортом (на специальном самолёте-транспортировщике ВМ-Т) — на аэродром «Юбилейный» космодрома Байконур. Для посадок космоплана «Буран» была специально оборудована усиленная взлётно-посадочная полоса (ВПП) на аэродроме «Юбилейный» на Байконуре. Кроме того, были серьёзно реконструированы и полностью дооснащены необходимой инфраструктурой ещё два основных резервных места приземления «Бурана» — военные аэродромы Багерово в Крыму и Восточный (Хороль) в Приморье, а также построены или усилены ВПП ещё в четырнадцати запасных местах посадки, в том числе вне территории СССР (на Кубе, в Ливии). Полноразмерный аналог «Бурана», имевший обозначение БТС-002(ГЛИ), был изготовлен для лётных испытаний в атмосфере Земли. В его хвостовой части стояли четыре турбореактивных двигателя, позволявшие ему взлетать с обычного аэродрома. В 1985—1988 годах его использовали в ЛИИ им. М. М. Громова (город Жуковский, Московская область) для отработки системы управления и системы автоматической посадки, а также для подготовки лётчиков-испытателей перед полётами в космос. 10 ноября 1985 года в ЛИИ имени Громова Минавиапрома СССР совершил первый атмосферный полёт полноразмерный аналог «Бурана» (машина 002 ГЛИ — горизонтальные лётные испытания). Пилотировали машину лётчики-испытатели ЛИИ Игорь Петрович Волк и Р. А. А. Станкявичус. Ранее приказом Минавиапрома СССР от 23 июня 1981 года № 263 был создан Отраслевой отряд космонавтов-испытателей Минавиапрома СССР в составе: Волк И. П., Левченко А. С., Станкявичус Р. А. А. и Щукин А. В. (первый набор).

На авиасалоне в Ле-Бурже, 1989 год

Ан-225 и «Буран»…

National Physics №2

Первый и единственный полёт

Свой первый и единственный космический полёт «Буран» совершил 15 ноября 1988 года. Космический корабль был запущен с космодрома Байконур при помощи ракеты-носителя «Энергия». Продолжительность полёта составила 205 минут, корабль совершил два витка вокруг Земли, после чего произвёл посадку на аэродроме «Юбилейный» на Байконуре. Полёт прошёл без экипажа в автоматическом режиме с использованием бортового компьютера и бортового программного обеспечения, в отличие от шаттла, который традиционно совершает последнюю стадию посадки на ручном управлении (вход в атмосферу и торможение до скорости звука в обоих случаях полностью компьютеризованы). Данный факт — полёт космического аппарата в космос и спуск его на Землю в автоматическом режиме под управлением бортового компьютера — вошёл в книгу рекордов Гиннесса. Над акваторией Тихого океана «Буран» сопровождал корабль измерительного комплекса ВМФ СССР «Маршал Неделин» и научно-исследовательское судно АН СССР «Космонавт Георгий Добровольский». В 1990 году работы по программе «Энергия-Буран» были приостановлены, а в 1993 году программа окончательно закрыта. Единственный летавший в космос (1988) «Буран» был разрушен в 2002 году при обрушении крыши монтажно-испытательного корпуса на Байконуре, в котором он хранился вместе с готовыми экземплярами ракеты-носителя «Энергия». В ходе работы над проектом «Буран» было изготовлено несколько макетных образцов для динамических, электрических, аэродромных и прочих испытаний. После закрытия программы эти изделия остались на балансе различных НИИ и производственных объединений. Известно, например, о наличии макетных образцов у ракетно-космической корпорации «Энергия» и у НПО «Молния». При внешнем сходстве с американским шаттлом орбитальный корабль «Буран» имел отличие — он мог совершать посадку полностью в автоматическом режиме с использованием бортового компьютера. Изначально система автоматической посадки не предусматривала перехода на ручной режим управления. Однако пилоты-испытатели и космонавты потребовали у конструкторов включить ручной режим в систему управления посадкой: …система управления корабля «Буран» должна была выполнять автоматически все действия вплоть до остановки корабля после посадки. Участие лётчика в управлении не предусматривалось. (Позже, по нашему настоянию предусмотрели всё-таки резервный ручной режим управления на атмосферном участке полёта при возврате корабля.) — С. А. Микоян Ряд технических решений, полученных при создании «Бурана», до сих пор используются в российской и зарубежной ракетно-космической технике. Значительная часть технической информации о ходе полёта недоступна сегодняшнему исследователю, так как была записана на магнитных лентах для компьютеров БЭСМ-6, исправных экземпляров которых не сохранилось. Частично воссоздать ход исторического полёта можно по сохранившимся бумажным рулонам распечаток на АЦПУ-128 с выборками из данных бортовой и наземной телеметрии.

National Physics №2

Чертежи

Взято с www.buran.ru

National Physics №2

Чертежи

Взято с www.buran.ru

National Physics №2

Чертежи

Взято с www.buran.ru

National Physics №2

Технические характеристики Длина — 36,4 м, Размах крыла — около 24 м, Высота корабля, когда он стоит на шасси, — более 16 м, Стартовая масса — 105 т. Грузовой отсек вмещает полезный груз массой до 30 т при взлёте, до 20 т при посадке. В носовой отсек вставлена герметичная цельносварная кабина для экипажа и людей для проведения работ на орбите (до 10 человек) и большей части аппаратуры для обеспечения полёта в составе ракетно-космического комплекса, автономного полёта на орбите, спуска и посадки. Объём кабины составляет свыше 70 м3. Имеет треугольное крыло с двойной стреловидностью, а также аэродинамические органы управления, работающие при посадке после возвращения в плотные слои атмосферы — руль направления, элероны и аэродинамический щиток. Две группы двигателей для маневрирования размещены в конце хвостового отсека и передней части корпуса. Выполняется манёвр возврата или выхода на одновитковую траекторию. Впервые в практике двигателестроения была создана объединённая двигательная установка, включающая топливные баки окислителя и горючего со средствами заправки, термостатирования, наддува, забора жидкости в невесомости, аппаратурой системы управления и т. д. Бортовой комплекс управления состоит примерно из пятидесяти систем. При разработке программного обеспечения для космического корабля и наземных систем использовались технология структурного проектирования программ и язык универсальной ЭВМ, что позволило в короткие сроки разработать программные комплексы объёмом около 100 Мб. В случае отказов ракетных блоков первой и второй ступеней ракеты-носителя система управления орбитального корабля обеспечивает его аварийное возвращение на землю в автоматическом режиме. Первостепенное значение для успешного преодоления гравитационно обусловленных термических и пневматических нагрузок, возникающих при прохождении корабля в плотных слоях атмосферы, имеет его защитная обшивка.Ряд научно-исследовательских организаций страны получил задание по разработке огнеупорных материалов, соответствующих в характеристиках стойкости этим экстремальным техническим условиям. Институту химии силикатов (СанктПетербург), в числе других учреждений, выполнявшему эти работы, была доверена роль их координации, а общее руководство осуществлял выдающийся физико-химик М. М. Шульц.

Игорь Петрович Волк

Римантас Антанас Станкявичюс

Экипаж В 1984 — в ЛИИ им. М. М. Громова были сформированы экипажи для испытания аналога «Бурана» — БТС-02 которые проводились вплоть до 1988 г. Эти же экипажи планировались и для 1-го пилотируемого полёта «Бурана». Основной экипаж: Игорь Петрович Волк — командир Римантас Антанас Станкявичюс— 2-й пилот, погиб в авиакатастрофе 9 сентября 1990 Дублирующий Экипаж: Левченко Анатолий Семёнович — командир, умер от опухоли головного мозга, 6 августа 1988 Щукин Александр Владимирович — 2-й пилот, разбился во время подготовки к празднику 18 августа 1988

Левченко Анатолий Семёнович

Щукин Александр Владимирович

National Physics №2

Оптические иллюзии

National Physics №2

Оптические иллюзии

National Physics №2

Оптические иллюзии

#Статья от читателя Автор статьи: Александр Пчелинцев Пчелинцев Александр Николаевич - кандидат физико-математических наук, доцент. pchelintsev.an@yandex.ru

* В статье использовался шрифт, выбранный автором статьи

Критический взгляд на аттрактор Лоренца

National Physics №2

x˙ = σ(y − x),

y˙ = rx − y − xz,

(1)

z˙ = xy − bz, σ r

b σ = 10 r = 28

b = 8/3

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

National Physics №2 National Physics

#Космос

Фотографии Земли

с МКС

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

Земля ночью 97

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

Облака 99

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

100

Северное сияние 101

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

102

Париж ночью 103

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

104

105

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

106

Фото с долгой выдержкой 107

#Технологии

National Physics №2

Инженеры проектируют экзоскелет Железного человека для прыжков из космос

108

са

Разработчики компаний Solar System Express и биотехники из Juxtopia LLC объединились для создания костюма будущего, подобия костюма Железного человека. Экзоскелет будет оборудован очкамидополненной реальности, реактивным ранцем, управляющими перчатками и гироскопами. Производственную модель этого чуда техники планируют выпустить уже к 2016 году. Научная фантастика уже не в первый раз вдохновляет инженеров на разработку технологий будущего. Фильмы »Железный человек» и »Звёздный путь», которые прогремели на мировых экранах, подсказали учёным идею для нового скафандра. С его помощью можно будет подняться на высоту 100 километров над поверхностью Земли (прямо на границу с открытым космосом) и плавно приземлиться без парашюта. В фильме «Звёздный путь» 2009 года есть сцена, где капитан космического корабля Джеймс Кирк, рулевой Хикару Сулу и инженер Олсон спускаются на планету Вулкан в высокотехнологичных костюмах и приземляются, раскрыв парашют. А в трилогии о Железном человеке костюмы Тони Старка вообще играют ключевую роль в повествовании. Ключевые составляющие его экзоскелетов — это реактивные двигатели в ботинках и репульсоры (антигравитационные двигатели) в перчатках. В первом фильме репульсоры используются как струйный руль системы реактивного управления. Шлем Железного человека обладает дисплеем с голографическим коллиматорным индикатором илииндикатором на лобовом стекле. Кроме того, он позволяет использовать голосовое управление для контроля над всеми системами. Так, Тони Старк управляет костюмом, отдавая команды виртуальному дворецкому Джарвису (Jarvis), который помимо исполнительности обладает прекрасным чувством юмора. К сожалению, многое из этого современной науке пока не доступно. Однако людей, мечтающих о воплощении подобных технологий, предостаточно. На сегодняшний день существует немало людей, увлекающихся бейсджампингом - экстремальным видом спорта по прыжкам с парашютом с фиксированных объектов (крыш небоскрёбов, высоких статуй). Их трюки и смелость поражают воображение. Ранее мы видели падение британца на гору картонных коробок. Кроме того, на днях 48-летний россиянин спрыгнул с Эвереста.

109

National Physics №2 А самый выдающийся прыжок в истории совершил Феликс Баумгартнер, который установил целых два мировых рекорда: он не только стал первым человеком, совершившим прыжок из стратосферы (с высоты 39 километров), но и во время прыжка преодолел скорость звука. Конечно же, без специальной экипировки рекорд установить бы не удалось. Баумгартнер был одет в специальный костюм, который на самом деле является разновидностью последней модели скафандра NASA. Он защищал отважного спортсмена от перепадов температур (варьировалась от -68 до 38 градусов по Цельсию) и давления, а также многих других опасностей. Феликс и его команда не скрывали, что прыжок сам по себе – это, конечно, важное достижение. Но главной целью было именно испытание новой разработки NASA. Разработчики компаний Solar System Express и Juxtopia LLC планируют создать костюм, пригодный для прыжков с высоты в 100 километров. Эта высота получила название линия Кармана и считается границей между атмосферой Земли и открытым космосом. Прыжок с такой высоты является намного более сложной задачей, чем прыжок из стратосферы! Ведь изначально на человека будет действовать космический вакуум, затем он войдёт в атмосферу и будет падать на протяжении довольно долгого времени. Чтобы достичь своей цели, инженерам придётся преодолеть немало технических трудностей. Костюм должен защищать от резких перепадов температур и давления, а также решать проблему нехватки кислорода. На такой высоте у спортсмена может появиться декомпрессионная болезнь, воздушная эмфизема или эбуллизм (закипание жидкости в организме при пониженном атмосферном давлении). Также существует риск повреждения костюма, что лишит человека и кислорода, и защиты. Сколько бы ни длился затяжной прыжок, кислорода для дыхания должно хватать с запасом. Также костюм должен противостоять сверхзвуковым и гиперзвуковым ударным волнам. Существенную роль играет и перегрузка: когда спортсмен выходит из тонкой атмосферы и входит в более плотную среду, он будет испытывать позитивные и негативные перегрузки от 2g до 8g, что может вызвать серьёзные проблемы, включая выход систем из строя. У человека в такой момент могут произойти кровоизлияния и потеря сознания. Согласно данным компании Solar System Express их скафандр под названием RL MARK VI позволит совершать прыжки из ближнего космоса, суборбитального пространства и даже с низкой орбиты Земли. RL — это акроним от имени майора Роберта Лоуренса (Robert Lawrence), первого афроамериканского космонавта, который погиб 8 декабря 1967 во время тестовых полётов на авиабазе «Эдвардс» (Edwards Air Force Base). Для испытания костюма Solar System Express планирует произвести прыжок по образу и подобию прыжков проекта Red Bull Stratos. Первые испытания будут проводиться на относительно небольшой высоте с парашютным приземлением, однако финальные цели у компании гораздо более амбициозные. При помощи технологии костюм-крыло (вингсьют) и специализированных ботинок с миниатюрными двигателями, спортсмен должен будет плавно приземлиться на землю в вертикальном положении. Точно так же, как это делает Железный человек. Компания Final Frontier Design также занимается разработкой костюма будущего. Сейчас инженеры работают над модификацией скафандра Intra-Vehicular Activity IVA 3G spacesuit, финансирование для которого изначально было собрано на сайте Kickstarter. Лёгкие слои из аэрогеля и эластичное защитное покрытие послужат внешним слоем, защищающим от агрессивного влияния космической среды. Solar System Express ведут переговоры с Final Frontier Design по поводу дополнения дизайна вингсьютом и объединения технологий для создания нового скафандра. Инженеры компании Juxtopia работают над созданием очков дополненной реальности. Принцип работы этого устройства похож на технологию индикатора на лобовом стекле у реактивных истребителей, когда необходимая информация выводится прямо на стекло или внутреннюю поверхность очков или шлема пилота. Подобная функция также есть и у нашумевших Google Glass. Очки Juxtopia будут снабжать «прыгуна» жизненно важной информацией, необходимой для контроля над ситуацией: расскажут ему о температуре тела и внешней среды, давлении, частоте сердечных сокращений и приведут массу других сведений. Также спортсмен будет видеть изменения скорости полёта, своё местонахождение в пространстве и будет иметь возможность постоянно поддерживать связь с наземными станциями (с последним, кстати, тоже предстоит поработать). Система включает в себя голосовое управление, камеры и внешнее освещение. 110

статья от 111

National Physics №2

#Технологии

Синтетический паучий шелк: материал будущего уже сегодня Еще задолго до появления «Человека-паука» люди поняли, что особая прочность паутины позволяет паукам не только ловить свою добычу, но еще и то, что на основе этой паутины можно создавать очень прочную ткань. Однако ее сбор — очень долгий и кропотливый процесс, который усложняется еще и тем, что содержание множества пауков в одном месте не самая лучшая идея: поддавшись инстинкту в борьбе за территорию, под девизом «выживает сильнейший» они друг друга поубивают. Однако японская компания под названием Spiber заявляет, что создала искусственную паутину, чья прочность сравнима со сталью, а эластичность — с резиной. По словам компании, материал настолько прочен и легок, что на его основе можно создавать практически все: начиная от одежды, бронежилетов, частей автомобильных кузовов и заканчивая медицинским оборудованием и даже скафандрами. Новый материал назвали Qmonos (в дословном переводе с японского — «паутина»). Компания говорит, что ей требуется провести несколько экспериментов, которые позволят усилить искусственную паутину за счет дополнительного покрытия. В конце концов, как и любой органический материал, она может неожиданно «сломаться». Тем не менее Spiber надеется запустить свое изобретение в массовое производство в течение двух лет, создав к 2015 году тонну этой чудо-паутины. Уже начиная с ноября оборот производства собираются увеличивать ежемесячно на 100 килограммов. Вообще, это не первый случай, когда природа изначально сама содержит решение человеческих проблем и вопросов. Одними из удачнейших примеров биомиметики является текстильная застежка, изобретенная в 1948 году швейцарским инженером Жоржем де Местралем, который

112

после прогулки на природе, отдирая прилипший к своим штанам и шерсти его собаки репейник, понял принцип, по которому репейник к ним прицепился. Более современный пример, это разработка японской компании Nitto Denko — невероятно устойчивый к высоким температурам клей, на создание которого компанию вдохновил принцип, по которому гекконы цепляются к поверхности. Удивительные свойства паутины тоже не стали исключением для пристального внимания ученых. Ведь она может растягиваться до 40 процентов от своего первоначального состояния и при этом не рваться. Поэтому неудивительно, что еще несколько веков назад паутину, за счет ее эластичности, использовали в качестве рыболовной лески. При наличии того же веса, она крепче, чем сталь и кость, вдвойне эластичнее нейлона и даже способна остановить двигающийся на полной скорости поезд, как говорят некоторые эксперты. Это не первая попытка ученых в производстве искусственного паучьего шелка. Одним из многообещающих примеров была компания Nexia Biotechnologies, которая благодаря биоинженерии смогла добиться того, чтобы в молоке, которое давали козы, содержались нити паутины. В 2000 году компания смогла найти инвестиции в размере 42,4 миллиона долларов, но в 2009 году обанкротилась, потому что ее изобретение так и не нашло коммерческой ценности. Молекулярная структура белка паучьего шелка довольна сложная и обогащена глицином, аланином и серином. Именно благодаря этому создается идеальный баланс между эластичностью и прочностью, но одновременно и создает сложности в его искусственном производстве. Может компании и могут воспроизвести части этого белка, но именно особая молекулярная структура делает паутину такой прочной. Несмотря на то, что Spiber не делится всеми подробностями всего процесса создания ее паутины, компания все же раскрыла некоторые детали. Ученые создали бактерию с рекомбинантной ДНК и запрограммировали ее на производство белка паутины. Затем полученный белок изолируется и проталкивается через отверстие размером с дырочку булавочной головки. При использовании всего одного грамма этого протеина можно получить девять километров шелковой нити. По словам компании Spiber, с момента анонса новой технологии в прошлом августе, она получила уже более сотни предложений о сотрудничестве над данным проектом. Производитель автозапчастей компания Kojima Press Industry инвестировала в разработку 750 миллионов йен (7,6 миллиона долларов), благодаря чему в начале этого месяца Spiber открыла исследовательский центр и запустила свой первый завод по производству чудо-паутины в городе Цуруока на северо-западе Японии. Компания считает, что ей вполне по силам адаптировать паутину для производства автомобильных частей, включая шины, бампера и даже электронную начинку. Применение в медицине компании видится при производстве эластичных медицинских средств и инструментов, таких как искусственные артерии, связки и биоразлагающиеся нитки. В настоящий момент самым главным конкурентом Spiber является немецкая компания AMSilk GmbH, которая обещает в самом скором времени наладить производство похожего материала, который она назвала Biosteel. Этот материал также получается из рекомбинантных белков паутины, которые пропускаются через спиральный аппарат, воссоздающий структуру плетения паучьего шелка. Другим конкурентом японской компании является основанная в Мичигане Kraig Biocraft Laboratories Inc., которая говорит, что генетическим путем вырастила червей-шелкопрядов, способных производить паутинную нить. Главным же козырем Spiber, успевшей получить в общей сложности дополнительные 780 миллионов йен от Министерства экономики Японии, Торговой и промышленной палаты, а также от Университета Кэйо и префектуры Ямагата, по ее же словам является скорость работы. Компания готова разрабатывать новые виды паутины с различными возможностями за сверхкороткий срок в три дня и говорит, что придумала 250 различных типов паутины, которую она уже может производить. Настоящие же пауки, к слову, производят только около семи типов паутины.

статья от 113

National Physics â&#x201E;&#x2013;2

114

#Технологии

Телефон зарядит прозрачная пленка Наверняка многие сталкивались с ситуацией, когда телефон разряжается в самый неподходящий момент, и зарядить его негде. Именно поэтому многие разработчики предлагают самые разные способы решения этой проблемы — от солнечных панелей, которые можно прикрепить к одежде, до туристических печек с зарядным устройством. Компания Wysip представила на прошедшей на днях в Барселоне выставке Mobile World Congress свое решение этой проблемы. Их зарядное устройство представляет из себя прозрачную фотоэлектрическую пленку, которая крепится прямо на экран мобильного телефона. Таким образом она позволят заряжать мобильные устройства, при этом не мешая пользоваться всеми функциями аппарата. Для того, чтобы подзарядить телефон, достаточно просто выставить его на солнечный свет. Заряда в теение 10 минут достаточно для двухминутного разговора. Для полной зарядки батареи телефон следует держать на солнце в течение 6 часов. Людовик Дебло, президент компании Wysip считает, что устройства с такой пленкой наиболее востребованы будут в странах Африки. В этом солнечном регионе более 500 млн. человек имеют мобильные телефоны, но при этом во многих районах имеются проблемы с доступом к электричеству. Еще один несомненный плюс — стоимость. Цена пленки составляет всего один евро. Разработчики рассчитывают, что первые мобильные телефоны, оснащенные пленкой-зарядкой, появятся в продаже уже к концу этого года.

статья от 115

National Physics №2

Команда National Physics И. Ильдар - главный редактор, дизайн С. Клим - главный редактор Г. Аида - публицист М. Вадим - публицист Источники информации: wikipedia.org sfiz.ru electrik.info vesti.ru kvant.mccme.ru

Наш сайт: nationalscience.ru ВК: vk.com/national_physics е-mail:

nationalscience.ru@gmail.com Благодарим:

116

117

National Science ÂŠ 2013

nationalscience.ru